工业级8通道数字输入串行器SN65HVS882：设计与应用解析

在工业自动化和过程控制领域，对于高通道密度数字输入模块的需求日益增长。TI的SN65HVS882作为一款八通道数字输入串行器，为这一领域提供了强大的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下这款器件的特点、应用以及设计要点。

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一、SN65HVS882概述

SN65HVS882专为工业自动化中的高通道密度数字输入模块而设计。它能够与电流隔离器配合使用，完成现场侧高压信号与控制器侧低压信号之间的接口转换。输入信号经过限流处理后，再通过内部去抖滤波器进行验证。

二、关键特性

（一）输入特性

1. 高输入电压：支持高达34V的输入电压，能适应多种工业环境下的信号输入。
2. 可选择去抖滤波器：去抖时间可在0ms到3ms之间选择，有效去除因接触抖动或其他机械效应引起的意外信号转换。
3. 灵活的输入电流限制：输入电流限制范围为0.2mA到5.2mA，可通过改变外部精密电阻$R{LIM}$来调整。例如，当$R{LIM}=25kΩ$时，输入电流限制为3.6mA；若要将电流限制降低到2.5mA，可计算得出$R_{LIM}=36kΩ$。

（二）通道与接口特性

1. 多通道设计：具备八个输入通道，可级联使用，方便设计高通道数的输入模块。
2. SPI兼容接口：与多种标准微控制器接口兼容，便于系统集成。
3. 5V稳压输出：为外部隔离器提供5V稳压输出，输出驱动能力为50mA，典型电流限制为115mA。

（三）保护与指示特性

1. ESD保护：场引脚具有15kV HBM ESD保护能力，增强了器件的可靠性。
2. 过温指示：片上温度传感器可监测器件温度，当内部温度达到150°C时，TOK输出变为低电平；若温度继续上升至170°C，所有器件输出将进入高阻态。

三、应用场景

（一）工业自动化与过程控制

可作为传感器输入接口，用于工业自动化和过程控制中的各种传感器信号采集。

（二）数字输入模块

适用于PC和PLC系统的高通道数数字输入模块、分散式I/O模块等。

（三）运动控制系统

为运动控制系统提供可靠的数字输入信号。

四、工作原理与设计要点

（一）数字输入阶段

每个数字输入作为受控电流吸收器，将输入电流限制在最大值$I{LIM}$。电流限制通过$I{LIM}=n×I{REF}$得出，其中$I{REF}=V{REF}/R{LIM}$。因此，改变$R_{LIM}$的值即可调整电流限制。

（二）去抖滤波器

采用简单的模拟/数字滤波技术，去除因接触抖动或其他机械效应引起的意外信号转换。新输入信号必须在所选去抖时间内保持稳定，才能作为有效状态锁存到移位寄存器中。去抖时间可通过内部去抖选择逻辑的控制输入DB0和DB1来确定，具体如下表所示：	DB1	DB0	功能
开路	开路	3ms延迟
开路	GND	1ms延迟
GND	开路	0ms延迟（滤波器旁路）
GND	GND	保留

（三）移位寄存器

由八通道串行输入并行输出移位寄存器完成并行输入到串行输出数据的转换。当负载输入LD为低电平时，现场输入IP0 - IP7的信息被锁存到移位寄存器中；当LD为高电平时，禁止并行加载。时钟使能输入CE为低电平时，时钟信号CLK可将数据串行移位到串行输出SOP。

（四）电压调节器

片上线性电压调节器为内部和外部电路（如数字隔离器）提供5V电源。为保证输出电压的稳定性，需要在5VOP输出端附近连接1µF和0.1µF的陶瓷电容。同时，电压调节器需要最小负载电流$I{L - MIN}$，确保$frac{I{L - MIN}}{C_{L}}>frac{1mA}{1µF}$。

（五）温度传感器

片上温度传感器实时监测器件温度，当温度过高时提供保护。若因输出短路导致芯片温度超过第二个温度触发点，输出缓冲器将变为三态，同时内部100kΩ下拉电阻将TOK引脚接地，为外部电路提供逻辑低电平。

五、应用设计注意事项

（一）EMC保护

为了使SN65HVS882在恶劣工业环境中可靠运行，除了器件内部的ESD结构外，还可使用外部保护电路，如在输入和电源端添加适当的电阻、电容和二极管，以吸收突发和浪涌瞬变的能量。

（二）输入通道切换

在IEC61131 - 2 PLC应用中，当$V{CC}$为24V且输入电阻$R{IN}=1.2kΩ$时，SN65HVS882的导通信号触发点为9.4V（3.6mA），满足IEC61131 - 2类型1和类型3开关的切换要求。对于类型2开关应用，可将两个输入通道并联使用，但会减少可用输入通道数量。

（三）数字接口时序

数字接口与SPI兼容，在负载输入LD为低电平时，现场输入信息被锁存到移位寄存器；LD为高电平时，禁止并行输入。时钟使能输入CE为低电平时，时钟信号CLK将数据串行移位到串行输出SOP。

（四）级联设计

设计高通道数模块时，可将多个SN65HVS882器件级联使用，只需将前一个器件的串行输出SOP连接到后一个器件的串行输入SIP，无需更改处理器接口。

六、总结

SN65HVS882以其丰富的特性和灵活的设计，为工业自动化和过程控制领域的数字输入模块设计提供了优秀的解决方案。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的系统需求，合理选择参数和设计外部电路，以充分发挥该器件的性能优势。同时，要注意遵循相关的设计规范和注意事项，确保系统的可靠性和稳定性。大家在使用SN65HVS882的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。