工業(yè)控制計(jì)算機(jī)輸出電路設(shè)計(jì)探析

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摘要：現(xiàn)今，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8路GPIO輸出電路每路的驅(qū)動(dòng)電流只有10mA左右，不能滿(mǎn)足某些工控場(chǎng)所所需的大電流驅(qū)動(dòng)的要求。研究了一種功率驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)GPIO輸出高驅(qū)動(dòng)電流，比一般GPIO輸出端提供的驅(qū)動(dòng)電流大100倍左右，安全、可靠、穩(wěn)定，適用性相對(duì)較強(qiáng)，行業(yè)認(rèn)可度也將更高。

關(guān)鍵詞：輸出電路；功率；驅(qū)動(dòng)；電流

GPIO接口即通用輸入／輸出接口［1］，在工業(yè)領(lǐng)域經(jīng)常用于控制許多外部設(shè)備或者電路，且一般8路GPIO轉(zhuǎn)接卡即可滿(mǎn)足使用要求。然而，現(xiàn)在通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8路GPIO轉(zhuǎn)接卡每路的驅(qū)動(dòng)電流只有10mA左右，不能滿(mǎn)足某些工控場(chǎng)所所需的大電流驅(qū)動(dòng)的要求，因而亟需制作一種滿(mǎn)足此要求的GPIO轉(zhuǎn)接卡［2］。為滿(mǎn)足某些客戶(hù)對(duì)于輸出5V／8A這種大電流的技術(shù)要求，目前需要新設(shè)計(jì)一種8路GPIO轉(zhuǎn)接卡，實(shí)現(xiàn)每路接客戶(hù)1A電流的LED燈。但由于一般的GPIO每路輸出驅(qū)動(dòng)電流只有10mA左右，而本方案需要輸出每路1A的電流，因而需要對(duì)方案進(jìn)行研究、驗(yàn)證，使其滿(mǎn)足8路輸出、每路5V／1A的要求。

18路GPIO輸出電路實(shí)現(xiàn)原理

針對(duì)現(xiàn)有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8路GPIO轉(zhuǎn)接卡，該8路GPIO轉(zhuǎn)接卡以其中一路為例進(jìn)行詳細(xì)介紹［3］。首先經(jīng)由電子開(kāi)關(guān)輸出8路GPIO信號(hào)，其中一路輸出信號(hào)OUTPUT0與R1、C1相連。R1一般使用10mA左右的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的LED燈，這樣可以滿(mǎn)足許多工業(yè)計(jì)算機(jī)場(chǎng)合的使用要求［4－5］。但對(duì)于一些特定的工業(yè)場(chǎng)所需求比較大的驅(qū)動(dòng)電流（比如每路5V／1A）時(shí)，現(xiàn)用的8路GPIO轉(zhuǎn)接卡則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，應(yīng)用領(lǐng)域狹窄、持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，可能會(huì)引起電子開(kāi)關(guān)過(guò)熱進(jìn)而降低使用壽命的風(fēng)險(xiǎn)，且外接感性負(fù)載時(shí)，沒(méi)有鉗位保護(hù)電路來(lái)防止高壓對(duì)于電子開(kāi)關(guān)的沖擊［6－7］。為滿(mǎn)足特定場(chǎng)合大電流驅(qū)動(dòng)的使用要求，現(xiàn)制定了一種電路：經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后輸出的8路GPIO轉(zhuǎn)接卡，來(lái)滿(mǎn)足大、小電流均可穩(wěn)定、可靠地驅(qū)動(dòng)使用要求?，F(xiàn)有具體方案設(shè)計(jì)電路如圖1所示：該驅(qū)動(dòng)電路實(shí)質(zhì)上是一種低功率驅(qū)動(dòng)的8路GPIO轉(zhuǎn)接卡，不能滿(mǎn)足某些特定場(chǎng)所對(duì)于較大驅(qū)動(dòng)電流的需求，且持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，可能會(huì)帶來(lái)電子開(kāi)關(guān)過(guò)熱進(jìn)而降低使用壽命的風(fēng)險(xiǎn)。

28路GPIO輸出電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

本技術(shù)方案不僅兼容現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)，而且提高產(chǎn)品測(cè)試的效率和質(zhì)量，提高測(cè)試的性能以及可靠性要求。解決了特定客戶(hù)提出的問(wèn)題，提高了該產(chǎn)品的穩(wěn)定性能以及核心市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本技術(shù)方案工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8路GPIO驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接卡主要是通過(guò)功率MOS驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。兼容本文現(xiàn)有技術(shù)，且設(shè)計(jì)更加可靠，應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛，在保證低功率驅(qū)動(dòng)的情況下，也能穩(wěn)定、可靠地保證特定工控場(chǎng)所高驅(qū)動(dòng)電流的需求。

2．1方案設(shè)計(jì)

方案原理如圖2所示：本方案設(shè)計(jì)由能夠驅(qū)動(dòng)5V／8A的主板8路GPIO作為輸入接口，經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)8路輸出、每路5V／1A的要求。

2．28路GPIO輸出電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化

此方案設(shè)計(jì)了一種由GPIO輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)MOS管Q1驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生每路1A的電流，具體設(shè)計(jì)方案如圖3所示：該方案主要包括功率驅(qū)動(dòng)MOS管Q1、貼片三極管Q2、貼片二極管D1以及電阻R1、R2、R3。其中，R2的一端接GPIO輸出信號(hào)OUTPUT0，另一端與貼片三極管Q2的基極相連；R1的一端與VCC12以及貼片二極管D1的陰極相連，另一端與貼片三極管Q2的集電極以及功率驅(qū)動(dòng)MOS管Q1的柵極相連。R3一端與LED信號(hào)LED1－相連，另一端與貼片二極管D1的陽(yáng)極以及功率驅(qū)動(dòng)MOS管Q1的漏極相連，功率驅(qū)動(dòng)MOS管Q1的源極與Q2的發(fā)射極均接地。本方案主要利用功率驅(qū)動(dòng)MOS管的驅(qū)動(dòng)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)1A左右的大驅(qū)動(dòng)電流，較現(xiàn)有方案的驅(qū)動(dòng)電流大100倍左右。本設(shè)計(jì)方案兼容本文現(xiàn)有技術(shù)方案，現(xiàn)有方案只能滿(mǎn)足低驅(qū)動(dòng)電流的需求，而本文設(shè)計(jì)方案能穩(wěn)定、可靠地保證特定工控場(chǎng)所所需高、低驅(qū)動(dòng)電流的需求，應(yīng)用場(chǎng)景也更加廣泛。在通電情況下，當(dāng)GPIO輸出信號(hào)OUTPU0經(jīng)過(guò)R2且為高電平時(shí)，貼片三極管Q2導(dǎo)通，功率驅(qū)動(dòng)MOS管Q1關(guān)斷，此時(shí)R3端的LED1－信號(hào)為高，此時(shí)外接LED燈不亮；當(dāng)GPIO輸出信號(hào)OUTPU0經(jīng)過(guò)R2且為低電平時(shí)，貼片二極管Q2關(guān)斷，功率驅(qū)動(dòng)MOS管Q1導(dǎo)通，此時(shí)LED1－信號(hào)電阻電阻R3且為低電平，此時(shí)外接1ALED燈變亮且亮度正常。功率MOS管Q1可以提供1A左右的驅(qū)動(dòng)電流，比一般GPIO輸出端提供的驅(qū)動(dòng)電流大100倍左右。該電路GPIO輸出信號(hào)控制1ALED燈亮滅的實(shí)現(xiàn)，主要是根據(jù)所選擇MOS管的功率驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制的。其中，貼片二極管D1主要是鉗位保護(hù)的作用，為了防止客戶(hù)接感性負(fù)載時(shí)，保護(hù)功率驅(qū)動(dòng)MOS管Q1免于瞬斷時(shí)的高壓沖擊。本文單路功率驅(qū)動(dòng)電路彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)方案GPIO輸出無(wú)法提供高驅(qū)動(dòng)電流的缺陷。與現(xiàn)有技術(shù)方案相比較，本文設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定、可靠，提高產(chǎn)品測(cè)試的效率和質(zhì)量，應(yīng)用場(chǎng)景也更加廣泛。

3結(jié)束語(yǔ)

本技術(shù)方案設(shè)計(jì)方法是通過(guò)一種功率驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)GPIO輸出高驅(qū)動(dòng)電流，安全、可靠、穩(wěn)定，適用性也相對(duì)較強(qiáng)。

作者:程傳陽(yáng) 王振發(fā) 單位:研祥智能科技股份有限公司 國(guó)家特種計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心