精密DAC和看门狗提高了模拟输出安全性

使用DAC和微处理器监控器，可以提高工业控制器、可编程逻辑控制器（PLC）和数据采集系统的系统安全性。当发生微处理器故障、光耦合器故障或欠压情况时，模拟输出设置为零电平（或引脚可编程中间电平）。演示了有关如何实现此功能的简单应用程序。

介绍

当发生系统级故障时，工业应用中对安全状态的需求至关重要。功能丰富的精密数模转换器（DAC）和微处理器（μP）监控电路和看门狗定时器可用于确保模拟输出默认为已知的中间电平或零电平电平。

电路操作

工业控制器、可编程逻辑控制器 （PLC） 和数据采集系统 （DAS） 中使用的常见模拟输出控制信号包括电压输出，例如 0 至 5V、0 至 10V、±5V、±10V 和 4–20mA 电流环路。为确保安全完整性，模拟输出控制信号应默认为已知的中间电平或零电平安全状态，以响应μP或系统故障。为了提高安全性，模拟输出模块通常采用光耦合器在μP和模拟输出信号之间提供电气隔离。

图1电路满足模拟输出安全性和可靠性要求。当发生μP故障、光耦合器故障或欠压情况时，监控电路（U3，MAX6303）将12位DAC（U2，MAX5120）模拟输出设置为中间电平，进而设置V外至 0V 安全状态输出。该电路还通过减少μP上的I/O引脚数量和消除光耦合器来改善平均无故障时间（MTBF）。

图1.当电源电压、光耦合器或μP操作发生故障时，该DAC （U2）和μP监控器（U3）共同产生用户编程的安全状态默认输出（V外).

三种DAC特性使电路能够满足安全关键功能：异步复位输入（/CLR）、用户可选复位值输入（RSTVAL）和用户可编程输出（UPO）。这些内置特性还消除了增设光耦合器的需求，减少了μP上的I/O引脚数量，并消除了外部分立电路。μP监控器包括一个电阻可编程复位输入门限、一个电容可编程看门狗定时器和一个复位超时周期。

以下是电路的工作原理。由于DAC代码的范围从000hex到FFFhex，模拟输出电压（V外） 范围为 -10V 至 +10V。运算放大器U1A （MAX9944）由DAC的内部10ppm/°C精密带隙基准偏移;输出运算放大器U1B （MAX9944）配置为缓冲器，增益为4。

电路的输出电压计算公式为：

VOUT = VREF × (G × NB/4096 - 1) × (RF/RIN + 1)

其中 NB 是 DAC 二进制代码的数值;V裁判是内部基准电压;G是U1A的增益;和 RF/R在是 U1B 的增益电阻比。

微处理器监控器 U3 监控隔离电源电压 （V.ISO） 通过其 V抄送针。它还使用 UPO 监控 WDI 引脚上的 μP 活动，并通过/复位生成复位输出命令。复位输入处的电阻分压器（U3引脚1）确定复位电平电压门限（V千).同样，复位超时周期（tRP） 和看门狗超时期限 （t白矮星） 由 SRT 和 SWT 处的电容器值决定。将 WDS 连接到 V抄送进入扩展模式，延长 T白矮星500倍。以下公式计算电路中所需的值：

VRST = VTH(R1 + R2)/R2

其中 V千= 1.22V 和 VRST是可调复位阈值电压：

C.SRT= tRP/2.67

其中 C.SRT以 pF 和 t 为单位RP以 μs 为单位;CSWT以 pF 和 t 为tWD以 μs 为单位。因此：

CSWT = tWD/(500 × 2.67)

如果 Vcc失败或如果μP无法通过UPO切换WDI，则U3置位/RESET输出，通过其CLR输入复位U2。此操作将 U2 的输出重置为 RSTVAL 设置的条件（在本例中为中间电平，在 V 时产生 0V外).在正常工作中，μP必须以小于编程看门狗超时周期（t白矮星).以这种方式，UPO输出例行切换WDI，这意味着UPO在WDI上“踢狗”。请注意，在复位超时周期（tRP），/RESET有效释放CLR，但DAC输出在更新之前一直处于中间电平。

U3 的复位输入和 GND 端子之间的切换允许用户命令紧急关机。其它用于看门狗功能的器件是MAX6316系列和MAX6369系列，它们均提供固定的超时周期，并提供SOT23封装。此外，DAC的单极性和双极性模式允许其产生所有常见的模拟输出控制信号。

结论

通过精密DAC和看门狗定时器μP监控器的特殊功能，可以实现安全完整性的改进。这些器件共同可以为许多工业控制器应用中使用的模拟输出提供安全状态工作条件。

审核编辑：郭婷