基于TM4C123 的总线I/O 模块设计

张永强 司海峰 程良

摘要：本文以TM4C123系列单片机为最小系统，主要完成了隔离式直流输入/输出电路的设计。该设计满足工业现场的应用。隔离输入部分电压范围为直流（DC） 0-36V，输出端DC电流范围0-500mA，继电器输出DC电流为0-3A。

关键词：单片机；I/O模块；隔离式

中图分类号：TP311.1 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）11-0091-03

1 绪论

1.1 课题背景

随着工业化进程的快速推进，越来越多的工厂正在趋向于实现生产集成化。 [1]。单片机技术的技术是一项非常稳定的控制技术，它不仅可以完成信息的采集工作，同时还可以完成对数据的运算、处理以及数据输出。每个终端节点采集到的数据可以通过现场总线传输到计算机上，软件可以呈现出每个环节的运行状况，并记录运行过程。

1.2 工业4.0

德国作为工业强国，他们最先提出的工业4.0这个名词，并且把工业4.0作为国家高科技战略计划[2]。工业4.0是以引导智能为主的第四次工业革命。该计划是以信息通信技术和网络空间虚拟系统为基础，充分把二者结合在一起，来达到工業智能，尤其是把现阶段的制造业成功转向智能制造。德国开展工业4.0 的重要前提之一就是工业自动化，而工业自动化主要指的就是机械制造和电气工程自动化这两个方面。

1.3 模块式PLC

在工业4.0的大前提下，模块PLC是关键。不同模块会有不同的功能，同时不同模块间也具有相互调节、独立工作的能力[3-4]。对于功能比较强大的单片机，它所具有的模块功能就比较多，进而增强了不同模块之间的总和与联系，从而可以更方便地进行配置，有更高的使用效益。

1.4 现场总线

现场总线就是用数字信号传送代替了传统4- 20mA的模拟信号和普通开关量信号的传送，它是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统[5]。现场总线作为连接方式或方法出现在不同的结构之间进行信息传递、交流，使之成为一个大的整体，进而从结构、功能上都能够统一起来。

1.5 热插拔

热插拔（hot-plugging 或Hot Swap） 即带电插拔技术，指的是用户如果想对一些突发情况（电脑的硬盘损坏、某个器件的电源有问题等）做出应对，是要更换还是修复，都是可以在不用关闭系统和电源的前提下完成，从而能够消除系统对一些完全可以避免的恶性事件提高一定的防范能力[6]。该技术最早用在服务器领域中，当时仅仅是为了提高服务器使用的性能。电脑上的USB接口，就是利用热插拔技术实现的。正因为有了这个技术，硬盘的更换就会变得更简单[7]。只要简单地打开连接开关或者在硬件设备上进行接口的设计就可以直接取出硬盘，与此同时，系统仍然可以不间断地正常运行。这样就可以安全地保护设备而且快捷地进行操作。

2 TM4C123 微处理器简介

2.1 TM4C123微处理器特点

TM4C123系列微处理器是基于Cortex-M4F内核，具有高效的信号处理及浮点运算功能，同时集成了高级运动控制的PWM、QEI功能、USBOTG及CAN2.0等通信功能。Cortex-M处理器的低功耗、低成本和易于使用的优点能够满足汽车控制、医疗仪器、工业自动化、楼宇自动化、安防设备、嵌入式音频和娱乐设备等应用市场的需求[8]。

2.2 TM4C123微处理器结构

基于Cortex-M4F内核的TM4C123系列微处理器具有多种串行通信功能、高级运动控制功能等，同时还集成了JTAG和串行线调试接口。除此之外，还包括一个专用的单精度浮点处理单元FPU，大大增强了其信号处理能力。

2.3 TM4C123系列微处理器的应用领域

TM4C123系列微处理器定位于低成本的控制和信号处理产品，常用的应用如下：

①测试和测量设备；②工业自动化和远距离监控；③运动控制；④医疗仪器；⑤安防设备；⑥电力和能源。

另外，对于一些需要有低功耗的应用，TM4C123 微处理器具有一个可以使用后备电池的休眠模块，在微处理器不活动时，该模块可以有效地将其功耗降低到一个非常低的水平。

2.4 TM4C123最小系统

TM4C123最小系统包括核心CPU及相关可启动CPU的外围电路，其他功能的外围电路又包括：①复位电路（用于复位）；②晶振电路；③去耦电容；④电源模块；⑤单片机。

2.4.1 复位电路

TM4C123微控制器的RESET信号连接到RESET 开关和ICDI电路以实现调试器控制的复位[9]。如果需要用到调试器指示时，就必须使用ICDI电路，但需要知道这个功能是可选的，而且并不是一定都能满足所有调试器。复位电路设计如图1所示：

设计中的复位电路中采用了TPS3897芯片，具有高电平有效、漏极开路的超小型、单通道、可调节监控电路的特点。使用TPS3897主要是具备如下功能：上电复位和掉电复位。

2.4.2 晶振电路

单片机要工作就要有信号脉冲，而单片机本身又不会产生信号脉冲，这时就需要借助外围电路来产生信号脉冲，而晶振电路就可以产生信号脉冲，从而提供给单片机使用。晶振产生的脉冲就是单片机的工作速度。

2.4.3 去耦电容

去耦电容是指电路中装配在CPU外围电路的电源端上电容，此电容可以为CPU提供比较稳定的电源，同时也可以降低元件耦合到电源端时产生的噪声，也就间接地避免了其他元件所受此噪声的干扰。

3 总线I/O 模块的设计

I/O输入输出接口是指PLC与工业上其他现场控制器件和执行元件连接的接口电路。输入就是电信号传给单片机，输出就是单片机输出电信号给其他用电器等，假设以单片机为主体，输出信号就相当于控制信号，输入信号相当于反馈信号。通用的输入输出有隔离和非隔离之分。输入隔离使用光耦，可以使系统隔离，抗干扰，也可以防止大电流损坏PLC 。输出非隔离的驱动能力比较弱，所以隔离输出可用继电器或达琳顿管，这样可以增强它的带负载能力。

3.1 总体结构

本设计是基于TM4C123的总线I/O模块设计，在熟悉单片机的最小系统之后，对其进行隔离输入，经由单片机处理后隔离输出给负载，进行输出。

该设计的总体结构图如图2所示：

3.2隔离CAN 接口

CAN 总线是一种分布式的通信技术，虽然应用广泛，但是CAN总线通常还会有一些问题，如电路输入端有浪涌脉冲发生或者输入端的电源不稳定，这些因素就会导致电路中产生很高的频率干扰，这些干扰将会对电路造成严重的损坏。而在实际工业现场进行调试、安装，尤其是在切换一些功率比较大的感性负载（电机、变压器、继电器等）的过程中，不可避免地都会产生幅值并且瞬间就可以达到很高的电压或电流干扰，为了避免这种破坏系统的现象发生，需要对总线和各个节点进行隔离操作。

3.3 通用的输入/输出

通用的输入/输出有隔离和非隔离之分。接口就是针对设备而言，并行通信就是指数据的每一位都同时传送，就好比并列关系。串行通信就是数据一位一位的顺序传送，串在一起，一个接着一个。在实际应用中，串行通信广泛应用在工业过程控制等领域。

工业环境中，电机设备的工作和关闭、静电的产生或在距离雷电比较近的环境中，都会把电流通过感应耦合到自己所处的电路环境中，这必然会引起电路中电位的变化，这种变化非常大，通常高达几百甚至几千伏。因此必须让与总线连接的所有器件都只能参考同一個地。所以在追求系统更高的稳定性前提下，还可以将系统的信号线和电源都进行隔离处理，让整个系统都比较安全、可靠。信号隔离可以采用光耦。电源隔离可以采用隔离式直流/直流（DC/DC）转换器来进行隔离。

3.4 隔离输入

3.4.1 光耦器件及工作原理

光电耦合器它的基本结构就是把发光管和受光管封装在同一个管内，发光管实际上就是红外线发光二极管LED。光耦最关键的作用就是隔离。所以光耦合器的输入端与输出端就是隔离的，而且电信号在传输的过程中具有单向导通性，并且光耦合器还具有抗干扰的能力，同时在电路中它还具有良好的电路绝缘性。

3.4.2 电路分析

进行输入的电路经过设计之后，最终确定选用PS2801-4来进行隔离输入。

电路图如图3所示：

3.4.3 总线收发器的应用

总线收发器是为了方便异步通信，适合电路中信号的传输。74AC245是可以控制方向的一个八路缓冲器，并且处在外部受控设备与主控芯片之间。因为此芯片的双向导通是可以由使能端来控制的，所以使能的选择可以决定芯片是正向导通还是反向导通。

3.5 隔离输出

设计中CPU有16路输出，8路采用达林顿管进行隔离，8路采用继电器进行隔离，本模块采用了多种隔离技术。输出非隔离的驱动能力比较弱，所以隔离输出可用继电器或达琳顿管，可以增强它的负载能力。

3.5.1 达林顿管隔离输出

隔离输出的设计选用了ULN2003达林顿管，对此电路的设计图如图4所示。

本次设计中，采用了ULN2003达林顿管。它是比较安全且稳定的，并且有很高的耐压性能，可以通过很大的电流。

3.5.2 继电器隔离输出

隔离输出还可以采用继电器，这样的电路增强了设备的带负载能力。设计的电路图如图5所示：达林顿管+继电器的输出方式，这种搭建电路的方式增大了后面器件的驱动负载能力。图中所用的TD62083是东芝的一款达林顿型驱动芯片，它的输出最大电压可以达到50V，输出电流的最大规格为500mA。完全可以驱动一些LED或继电器。而且它既可以采用集电极输出，也可以采用发射极输出，但是要注意的是，如果要采用集电极输出，在每个通道上都须单独接一个VCC。本次设计中，它的主要作用就是驱动后面的继电器。

4 I/O 系统电源

隔离电源的设计就是给各个环节的外围电路进行供电，不同的电路会有不同的电压要求，所以就要设计不同的隔离电源，用于不同的电路。需要注意的是光电隔离器件两侧所用电源VDD与VCC必须完全隔离，否则，光电隔离将失去应有的作用。

4.1 主电源输入

设计一个在直流24V的过滤器下的电压转换，将24V先进行转换，转换为5V直流电。然后再降压到3.3V给MCU供电，这里使用了TPS73033低压降线性稳压器来实现降压。

4.1.1 24V 降压至5V 的DC-DC 电路的设计

总体的电路设计如图6所示：

设计中选用TPS5420D是一个宽输入范围的降压转换器，输入的电压范围为5.5V-36V。它也是一个高性能的电压误差放大器。因此在快速、准确及安全各个方面考虑选用TPS5420D元器件。

4.1.2 5V 降压至3V 供电给MCU

在电路设计中，为MCU提供稳定供电至关重要，因为这直接关系到电路能否稳定运行；同时，单片机的敏感特性也决定了对其供电环节必须谨慎处理。因此，供电设计必须兼顾满足需求与安全供电两项要求。

TPS73033系列芯片作为一个低压降线性稳压器，具有高的抑制比、低噪音、响应时间快等优点，可以很好地实现降压至3V供给MCU，尤其它的低功耗（当设备处于待机模式下，电源电流降至1μA） ，在实际应用中能够降低能量的损耗。

5 结束语

基于TM4C123系列单片机构建的最小系统，我们设计了一款隔离式直流输入/输出电路。经过实验验证，该电路设计能够满足工业现场应用需求，其中隔离输入部分的电压范围为直流（DC） 0-36V，输出端DC 电流范围0-500mA，继电器端输出DC电流为0-3A。

参考文献：

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[2] 石琰美. 关于工业4. 0环境下如何进行质量转型的探讨[J]. 轻工标准与质量，2024（1）：67-70.

[3] 魏传华. 工业4. 0背景下传统制造业中小企业面临的机遇与挑战[J]. 中国中小企业，2024，（1）：213-215.

[4] 彭冲，沈阳，李思雨，等. 基于TM4C123的信号失真度测量系统的研究[J]. 电子制作，2023，31（20）：30-33.

[5] 刘伟明，安栋，白小玮. CAN总线隔离器的设计与应用[J]. 科学技术创新，2018（5）：171-172.

[6] 秦东. 基于现场总线的开关量I/O模块的设计[D]. 西安：西安科技大学，2010.

[7] 蒲明辉，赵仁东，黄学创，等. 基于Modbus/TCP的电容式扭矩传感器数据采集系统设计[J]. 仪表技术与传感器，2024（1）：

[8] 王晓峰 . 基于CAN总线的掘进机智能监控系统设计[J]. 江西煤炭科技，2024（1）：203-205.

[9] 曹学岩，张博，王海瑞. 基于MSP430和CAN总线的I/O模块设计[J]. 电脑知识与技术，2012，8（22）：5470-5473，5481.

【通联编辑：梁书】