STMicroelectronics STEVAL-FSM01M1数字I/O扩展板是一款安全的双通道数字I/O扩展板，与STM32 Nucleo兼容。该板采用系统架构，利用STMicro长期积累的过往经验设计数字I/O应用，以求达到最高等级稳健性，满足工厂自动化和功能安全等最具挑战性的工业环境对运行可靠性的要求。

数据手册：*附件：STMicroelectronics STEVAL-FSM01M1数字IO扩展板数据手册.pdf

大多数标准Nucleo扩展板通常通过ARDUINO® Uno V3连接器插入STM32 Nucleo 板顶部。STMicro STEVAL-FSM01M1数字I/O扩展板采用板载ST morpho扩展排针，为连接在顶部的Nucleo提供基础。管理STEVAL-FSM01M1运行的微控制器引脚和外设，与最终连接到系统的其他X-NUCLEO板操作的引脚和外设进行物理分离。

可将额外扩展板轻松添加到堆栈中，以扩展系统功能，而无需重叠使用的微控制器资源。STM32固件包STSW-FSM01与NUCLEO-F401RE兼容，可轻松调整以在任何其他STM32 Nucleo平台上运行。

特性

• 针对高稳健性和安全性进行了优化的系统设计
• 完全灵活，用于测试和深入评估板载IC
• 工作电压范围：8V至30V（可选高达60V）
• 数字输出电流额定值：2A (OUT1) 和0.5A (OUT2)
• 双通道数字输入，兼容IEC 61131-2 type 1和3
• 嵌入式冗余，包括级联高侧开关拓扑
• IC特性的运行时间控制（截止限制和测试脉冲生成）
• 板载ADC支持实时状态监测和系统完整性验证
• 每个I/O通道的状态和诊断LED
• 2x额外LED，用于用户定义的指示
• 板载1kVRMS电流隔离
• 主动电源电压反向极性保护
• 兼容STM32 Nucleo开发板
• 固件包与NUCLEO-F401RE兼容
• 符合CE标准和RoHS指令

框图

过程接口连接器和测试点

STEVAL-FSM01M1数字IO扩展板技术解析与应用实践

一、产品概述与核心特性

‌STEVAL-FSM01M1‌是意法半导体推出的先进双通道数字I/O扩展模块，专为工业自动化安全应用设计。该评估板兼容STM32 Nucleo生态系统，具有以下突出特点：

核心特性

• ‌宽工作电压范围‌：8-30V（可扩展至60V）
• ‌双通道数字输出‌：OUT1通道2A，OUT2通道0.5A
• ‌双通道数字输入‌：兼容IEC 61131-2 Type 1和3标准
• ‌集成安全保护‌：过流/过温保护、快速去磁功能
• ‌实时监测能力‌：集成12位ADC用于系统状态监控
• ‌1kVRMS电气隔离‌：确保信号完整性

二、系统架构设计

2.1 硬件组成架构

该模块采用分层式硬件设计，主要包含五个核心部分：

1. ‌数字接口与电气隔离‌
   • 通过ST morpho扩展接头CN7和CN10提供连接
   • 采用STISO621双通道数字隔离器，支持100Mbps传输速率
   • 数字侧最大供电电压5V，通过"3V3"引脚供电
2. ‌数字输入部分‌
   • 基于CLT03-2Q3自供电数字输入电流限制器
   • 集成测试脉冲发生器，支持运行时IC完整性验证
3. ‌数字输出部分‌
   • 采用冗余安全设计：P沟道MOSFET STL42P6LLF6串联高侧开关（IPS160HF/IPS161HF）
   • OUT1通道额定电流0.5A，OUT2通道2A
4. ‌电源管理与保护‌
   • L7983开关降压调节器+LK220低噪声LDO的组合方案
   • STL42P6LLF6 MOSFET提供反极性保护
5. ‌系统控制与状态监测‌
   • ADC120 12位/1Msps模数转换器
   • 每个输出通道独立诊断功能

2.2 接口设计详解

‌ 过程接口连接器（CN1） ‌采用精心设计的布局：

• 从左至右依次为：IN1、IN2、OUT1、OUT2
• 电源连接采用颜色区分：橙色（+24V）、蓝色（GND）
• PE端子通过4.7nF高压电容耦合

三、安全与可靠性设计

3.1 增强的安全架构

该模块在安全设计上具有多重保护机制：

‌输出通道保护‌：

• 丢失VCC/GND保护
• 寄生反极性保护
• 外部去磁旁路电路
• 过流/过温保护与诊断

‌系统冗余设计‌：

• 级联高侧开关拓扑
• 运行时IC特性控制（关断限流和测试脉冲生成）
• 主动控制的下拉电阻电路

3.2 工业环境适应性

专门针对严苛工业环境设计，具有：

• 主动电源电压反极性保护
• TVS瞬态电压抑制器
• 高速逻辑IC与功率芯片的电气隔离

四、应用场景与开发优势

4.1 主要应用领域

• ‌ 可编程逻辑控制器（PLC） ‌
• ‌工厂自动化系统‌
• ‌功能安全应用‌
• ‌传感器/执行器控制‌

4.2 开发灵活性

该模块提供显著的开发优势：

• 可作为独立测试板使用
• 兼容NUCLEO-F401RE和STM32 Nucleo平台
• 支持额外的扩展板堆叠
• 完整的固件包（STSW-FSM01）支持

五、设计要点与最佳实践

5.1 电气参数优化

• ‌低功耗设计‌：RDS(on)=60mΩ
• ‌快速上电性能‌：满足安全自动化需求
• ‌独立电源域‌：确保过程侧信号隔离

5.2 系统集成建议

• 利用板载测试点进行系统功能测试
• 通过ADC实时监测关键系统节点
• 充分利用诊断LED进行状态指示

六、技术发展趋势

STEVAL-FSM01M1代表了数字I/O技术的发展方向：

• ‌更高集成度‌：多功能芯片组合
• ‌更强安全性能‌：冗余设计与全面保护
• ‌更好兼容性‌：STM32生态系统集成