基于TM4C123 的總線I/O 模塊設計

張永強 司海峰 程良

摘要：本文以TM4C123系列單片機為最小系統，主要完成了隔離式直流輸入/輸出電路的設計。該設計滿足工業現場的應用。隔離輸入部分電壓范圍為直流（DC） 0-36V，輸出端DC電流范圍0-500mA，繼電器輸出DC電流為0-3A。

關鍵詞：單片機；I/O模塊；隔離式

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）11-0091-03

1 緒論

1.1 課題背景

隨著工業化進程的快速推進，越來越多的工廠正在趨向于實現生產集成化。 [1]。單片機技術的技術是一項非常穩定的控制技術，它不僅可以完成信息的采集工作，同時還可以完成對數據的運算、處理以及數據輸出。每個終端節點采集到的數據可以通過現場總線傳輸到計算機上，軟件可以呈現出每個環節的運行狀況，并記錄運行過程。

1.2 工業4.0

德國作為工業強國，他們最先提出的工業4.0這個名詞，并且把工業4.0作為國家高科技戰略計劃[2]。工業4.0是以引導智能為主的第四次工業革命。該計劃是以信息通信技術和網絡空間虛擬系統為基礎，充分把二者結合在一起，來達到工業智能，尤其是把現階段的制造業成功轉向智能制造。德國開展工業4.0 的重要前提之一就是工業自動化，而工業自動化主要指的就是機械制造和電氣工程自動化這兩個方面。

1.3 模塊式PLC

在工業4.0的大前提下，模塊PLC是關鍵。不同模塊會有不同的功能，同時不同模塊間也具有相互調節、獨立工作的能力[3-4]。對于功能比較強大的單片機，它所具有的模塊功能就比較多，進而增強了不同模塊之間的總和與聯系，從而可以更方便地進行配置，有更高的使用效益。

1.4 現場總線

現場總線就是用數字信號傳送代替了傳統4- 20mA的模擬信號和普通開關量信號的傳送，它是連接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統[5]?，F場總線作為連接方式或方法出現在不同的結構之間進行信息傳遞、交流，使之成為一個大的整體，進而從結構、功能上都能夠統一起來。

1.5 熱插拔

熱插拔（hot-plugging 或Hot Swap） 即帶電插拔技術，指的是用戶如果想對一些突發情況（電腦的硬盤損壞、某個器件的電源有問題等）做出應對，是要更換還是修復，都是可以在不用關閉系統和電源的前提下完成，從而能夠消除系統對一些完全可以避免的惡性事件提高一定的防范能力[6]。該技術最早用在服務器領域中，當時僅僅是為了提高服務器使用的性能。電腦上的USB接口，就是利用熱插拔技術實現的。正因為有了這個技術，硬盤的更換就會變得更簡單[7]。只要簡單地打開連接開關或者在硬件設備上進行接口的設計就可以直接取出硬盤，與此同時，系統仍然可以不間斷地正常運行。這樣就可以安全地保護設備而且快捷地進行操作。

2 TM4C123 微處理器簡介

2.1 TM4C123微處理器特點

TM4C123系列微處理器是基于Cortex-M4F內核，具有高效的信號處理及浮點運算功能，同時集成了高級運動控制的PWM、QEI功能、USBOTG及CAN2.0等通信功能。Cortex-M處理器的低功耗、低成本和易于使用的優點能夠滿足汽車控制、醫療儀器、工業自動化、樓宇自動化、安防設備、嵌入式音頻和娛樂設備等應用市場的需求[8]。

2.2 TM4C123微處理器結構

基于Cortex-M4F內核的TM4C123系列微處理器具有多種串行通信功能、高級運動控制功能等，同時還集成了JTAG和串行線調試接口。除此之外，還包括一個專用的單精度浮點處理單元FPU，大大增強了其信號處理能力。

2.3 TM4C123系列微處理器的應用領域

TM4C123系列微處理器定位于低成本的控制和信號處理產品，常用的應用如下：

①測試和測量設備；②工業自動化和遠距離監控；③運動控制；④醫療儀器；⑤安防設備；⑥電力和能源。

另外，對于一些需要有低功耗的應用，TM4C123 微處理器具有一個可以使用后備電池的休眠模塊，在微處理器不活動時，該模塊可以有效地將其功耗降低到一個非常低的水平。

2.4 TM4C123最小系統

TM4C123最小系統包括核心CPU及相關可啟動CPU的外圍電路，其他功能的外圍電路又包括：①復位電路（用于復位）；②晶振電路；③去耦電容；④電源模塊；⑤單片機。

2.4.1 復位電路

TM4C123微控制器的RESET信號連接到RESET 開關和ICDI電路以實現調試器控制的復位[9]。如果需要用到調試器指示時，就必須使用ICDI電路，但需要知道這個功能是可選的，而且并不是一定都能滿足所有調試器。復位電路設計如圖1所示：

設計中的復位電路中采用了TPS3897芯片，具有高電平有效、漏極開路的超小型、單通道、可調節監控電路的特點。使用TPS3897主要是具備如下功能：上電復位和掉電復位。

2.4.2 晶振電路

單片機要工作就要有信號脈沖，而單片機本身又不會產生信號脈沖，這時就需要借助外圍電路來產生信號脈沖，而晶振電路就可以產生信號脈沖，從而提供給單片機使用。晶振產生的脈沖就是單片機的工作速度。

2.4.3 去耦電容

去耦電容是指電路中裝配在CPU外圍電路的電源端上電容，此電容可以為CPU提供比較穩定的電源，同時也可以降低元件耦合到電源端時產生的噪聲，也就間接地避免了其他元件所受此噪聲的干擾。

3 總線I/O 模塊的設計

I/O輸入輸出接口是指PLC與工業上其他現場控制器件和執行元件連接的接口電路。輸入就是電信號傳給單片機，輸出就是單片機輸出電信號給其他用電器等，假設以單片機為主體，輸出信號就相當于控制信號，輸入信號相當于反饋信號。通用的輸入輸出有隔離和非隔離之分。輸入隔離使用光耦，可以使系統隔離，抗干擾，也可以防止大電流損壞PLC 。輸出非隔離的驅動能力比較弱，所以隔離輸出可用繼電器或達琳頓管，這樣可以增強它的帶負載能力。

3.1 總體結構

本設計是基于TM4C123的總線I/O模塊設計，在熟悉單片機的最小系統之后，對其進行隔離輸入，經由單片機處理后隔離輸出給負載，進行輸出。

該設計的總體結構圖如圖2所示：

3.2隔離CAN 接口

CAN 總線是一種分布式的通信技術，雖然應用廣泛，但是CAN總線通常還會有一些問題，如電路輸入端有浪涌脈沖發生或者輸入端的電源不穩定，這些因素就會導致電路中產生很高的頻率干擾，這些干擾將會對電路造成嚴重的損壞。而在實際工業現場進行調試、安裝，尤其是在切換一些功率比較大的感性負載（電機、變壓器、繼電器等）的過程中，不可避免地都會產生幅值并且瞬間就可以達到很高的電壓或電流干擾，為了避免這種破壞系統的現象發生，需要對總線和各個節點進行隔離操作。

3.3 通用的輸入/輸出

通用的輸入/輸出有隔離和非隔離之分。接口就是針對設備而言，并行通信就是指數據的每一位都同時傳送，就好比并列關系。串行通信就是數據一位一位的順序傳送，串在一起，一個接著一個。在實際應用中，串行通信廣泛應用在工業過程控制等領域。

工業環境中，電機設備的工作和關閉、靜電的產生或在距離雷電比較近的環境中，都會把電流通過感應耦合到自己所處的電路環境中，這必然會引起電路中電位的變化，這種變化非常大，通常高達幾百甚至幾千伏。因此必須讓與總線連接的所有器件都只能參考同一個地。所以在追求系統更高的穩定性前提下，還可以將系統的信號線和電源都進行隔離處理，讓整個系統都比較安全、可靠。信號隔離可以采用光耦。電源隔離可以采用隔離式直流/直流（DC/DC）轉換器來進行隔離。

3.4 隔離輸入

3.4.1 光耦器件及工作原理

光電耦合器它的基本結構就是把發光管和受光管封裝在同一個管內，發光管實際上就是紅外線發光二極管LED。光耦最關鍵的作用就是隔離。所以光耦合器的輸入端與輸出端就是隔離的，而且電信號在傳輸的過程中具有單向導通性，并且光耦合器還具有抗干擾的能力，同時在電路中它還具有良好的電路絕緣性。

3.4.2 電路分析

進行輸入的電路經過設計之后，最終確定選用PS2801-4來進行隔離輸入。

電路圖如圖3所示：

3.4.3 總線收發器的應用

總線收發器是為了方便異步通信，適合電路中信號的傳輸。74AC245是可以控制方向的一個八路緩沖器，并且處在外部受控設備與主控芯片之間。因為此芯片的雙向導通是可以由使能端來控制的，所以使能的選擇可以決定芯片是正向導通還是反向導通。

3.5 隔離輸出

設計中CPU有16路輸出，8路采用達林頓管進行隔離，8路采用繼電器進行隔離，本模塊采用了多種隔離技術。輸出非隔離的驅動能力比較弱，所以隔離輸出可用繼電器或達琳頓管，可以增強它的負載能力。

3.5.1 達林頓管隔離輸出

隔離輸出的設計選用了ULN2003達林頓管，對此電路的設計圖如圖4所示。

本次設計中，采用了ULN2003達林頓管。它是比較安全且穩定的，并且有很高的耐壓性能，可以通過很大的電流。

3.5.2 繼電器隔離輸出

隔離輸出還可以采用繼電器，這樣的電路增強了設備的帶負載能力。設計的電路圖如圖5所示：達林頓管+繼電器的輸出方式，這種搭建電路的方式增大了后面器件的驅動負載能力。圖中所用的TD62083是東芝的一款達林頓型驅動芯片，它的輸出最大電壓可以達到50V，輸出電流的最大規格為500mA。完全可以驅動一些LED或繼電器。而且它既可以采用集電極輸出，也可以采用發射極輸出，但是要注意的是，如果要采用集電極輸出，在每個通道上都須單獨接一個VCC。本次設計中，它的主要作用就是驅動后面的繼電器。

4 I/O 系統電源

隔離電源的設計就是給各個環節的外圍電路進行供電，不同的電路會有不同的電壓要求，所以就要設計不同的隔離電源，用于不同的電路。需要注意的是光電隔離器件兩側所用電源VDD與VCC必須完全隔離，否則，光電隔離將失去應有的作用。

4.1 主電源輸入

設計一個在直流24V的過濾器下的電壓轉換，將24V先進行轉換，轉換為5V直流電。然后再降壓到3.3V給MCU供電，這里使用了TPS73033低壓降線性穩壓器來實現降壓。

4.1.1 24V 降壓至5V 的DC-DC 電路的設計

總體的電路設計如圖6所示：

設計中選用TPS5420D是一個寬輸入范圍的降壓轉換器，輸入的電壓范圍為5.5V-36V。它也是一個高性能的電壓誤差放大器。因此在快速、準確及安全各個方面考慮選用TPS5420D元器件。

4.1.2 5V 降壓至3V 供電給MCU

在電路設計中，為MCU提供穩定供電至關重要，因為這直接關系到電路能否穩定運行；同時，單片機的敏感特性也決定了對其供電環節必須謹慎處理。因此，供電設計必須兼顧滿足需求與安全供電兩項要求。

TPS73033系列芯片作為一個低壓降線性穩壓器，具有高的抑制比、低噪音、響應時間快等優點，可以很好地實現降壓至3V供給MCU，尤其它的低功耗（當設備處于待機模式下，電源電流降至1μA） ，在實際應用中能夠降低能量的損耗。

5 結束語

基于TM4C123系列單片機構建的最小系統，我們設計了一款隔離式直流輸入/輸出電路。經過實驗驗證，該電路設計能夠滿足工業現場應用需求，其中隔離輸入部分的電壓范圍為直流（DC） 0-36V，輸出端DC 電流范圍0-500mA，繼電器端輸出DC電流為0-3A。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】