开关量GPIO设计指南

GPIO作为常用个开关量控制信号，广泛应用于工业领域的数据采集和驱动控制。当GPIO配置为DI和DO时，干节点与湿节点设计规范是否一致呢？GPIO配置为DI采集时，隔离方案是选择继电器隔离还是光耦隔离呢？

1、什么叫DI/DO

DI:数字量输入，把生产过程中的数字信号转换成计算机易于识别的“0”和“1”信号状态。

DO：数字量输出，把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程中控制的“0”和“1”信号状态。

2、DI/DO的干湿节点介绍

干接点的定义：

无源开关，具有闭合和断开的2种状态，2个接点之间没有极性，可以互换；

常见的干节点：有限位开关、行程开关、旋转开关、温度开关、各种按键以及各种传感器的输出等。

湿接点的定义是：有源开关；具有有电和无电的2种状态；2个接点之间有极性，不能反接。

常见的湿节点有：NPN三极管的集电极输出和VCC、达林顿管的集电极输出和VCC、红外反射传感器和对射传感器的输出等。

3、DI/DO驱动阻抗设计

此处以NXP i.MX 6UL为例，常规对于GPIO作为输出接口时，OVDD电压为1.8V或3.3V，若GPIO设计为DO时需要注意哪些事项呢？

此处以DO为示例，Rpu/Rpd和Ztl构成一个分压器，定义入射波相对于OVDD的特定电压，输出驱动阻抗是从这个分压器计算出来的。

图1  分压器等效电路

图2  基于1.8V的驱动阻抗表

图3  基于3.3V的驱动阻抗表

4、设计隔离DI/DO的建议方案

在工业场合对DI/DO的设计都要考虑到隔离，在隔离中比较常用的是光耦隔离。

图4为光耦隔离数字量干节点电路，其中的DIx、GIx连接到触点开关的两端，当开关闭合时，光耦输入回路二极管导通，输出回路光电接收管导通，输入端GPIx为低电平；当开关断开时，光耦输入回路二极管截止，输出回路光电接收管截止，输入GPIx被电阻上拉为高电平。

图4  干节点传输电缆示意图

图5是光耦隔离数字量湿节点设计参考电路，输入电压范围DC4V-18V，并且内部自带滤波功能。用户只需将湿节点的正端接于DIx接口，将负端接于GIx接口，当输入的电压大于4V小于18V时，光耦导通；当输入的电压小于1V时，光耦截止。

图5  光耦隔离DI输入示意图一

DI作为隔离数字量输入接口，接开关量输入时，用户必须在外部电路加上拉电源，简化的连接示意图如图6所示。其中VCC_GPI为外部隔离电源，输入范围为4V~18V，GND_GPI为外部隔离地，电阻R1在开关断开时保证GIx为低电平，阻值为100KΩ即可。

图6  光耦隔离DI输入示意图二

DO作为隔离数字量输出时，由于芯片内部提供DO驱动电流为mA级且驱动电压为1.8V或3.3V，无法满足所有的应用环境。DO应用于工业领域的开关量设计，需更具不同的应用环境进行继电器隔离、电平转换、电阻上拉设计，可有效防止电压信号的反向灌入烧毁芯片。

图7  隔离电路DO输入示意图

图8  M6708U-T系列工控核心板