工業控制計算機輸出電路設計探析

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了工業控制計算機輸出電路設計探析范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：現今，工業控制計算機8路GPIO輸出電路每路的驅動電流只有10mA左右，不能滿足某些工控場所所需的大電流驅動的要求。研究了一種功率驅動電路來實現GPIO輸出高驅動電流，比一般GPIO輸出端提供的驅動電流大100倍左右，安全、可靠、穩定，適用性相對較強，行業認可度也將更高。

關鍵詞：輸出電路；功率；驅動；電流

GPIO接口即通用輸入／輸出接口［1］，在工業領域經常用于控制許多外部設備或者電路，且一般8路GPIO轉接卡即可滿足使用要求。然而，現在通用的工業控制計算機8路GPIO轉接卡每路的驅動電流只有10mA左右，不能滿足某些工控場所所需的大電流驅動的要求，因而亟需制作一種滿足此要求的GPIO轉接卡［2］。為滿足某些客戶對于輸出5V／8A這種大電流的技術要求，目前需要新設計一種8路GPIO轉接卡，實現每路接客戶1A電流的LED燈。但由于一般的GPIO每路輸出驅動電流只有10mA左右，而本方案需要輸出每路1A的電流，因而需要對方案進行研究、驗證，使其滿足8路輸出、每路5V／1A的要求。

18路GPIO輸出電路實現原理

針對現有工業控制計算機8路GPIO轉接卡，該8路GPIO轉接卡以其中一路為例進行詳細介紹［3］。首先經由電子開關輸出8路GPIO信號，其中一路輸出信號OUTPUT0與R1、C1相連。R1一般使用10mA左右的驅動電流來驅動對應的LED燈，這樣可以滿足許多工業計算機場合的使用要求［4－5］。但對于一些特定的工業場所需求比較大的驅動電流（比如每路5V／1A）時，現用的8路GPIO轉接卡則遠遠不能滿足要求，應用領域狹窄、持續長時間工作時，可能會引起電子開關過熱進而降低使用壽命的風險，且外接感性負載時，沒有鉗位保護電路來防止高壓對于電子開關的沖擊［6－7］。為滿足特定場合大電流驅動的使用要求，現制定了一種電路：經功率驅動電路驅動后輸出的8路GPIO轉接卡，來滿足大、小電流均可穩定、可靠地驅動使用要求。現有具體方案設計電路如圖1所示：該驅動電路實質上是一種低功率驅動的8路GPIO轉接卡，不能滿足某些特定場所對于較大驅動電流的需求，且持續長時間工作時，可能會帶來電子開關過熱進而降低使用壽命的風險。

28路GPIO輸出電路的設計與優化

本技術方案不僅兼容現有技術設計，而且提高產品測試的效率和質量，提高測試的性能以及可靠性要求。解決了特定客戶提出的問題，提高了該產品的穩定性能以及核心市場競爭力。本技術方案工業控制計算機8路GPIO驅動轉接卡主要是通過功率MOS驅動電路驅動來實現的。兼容本文現有技術，且設計更加可靠，應用場景更加廣泛，在保證低功率驅動的情況下，也能穩定、可靠地保證特定工控場所高驅動電流的需求。

2．1方案設計

方案原理如圖2所示：本方案設計由能夠驅動5V／8A的主板8路GPIO作為輸入接口，經過功率驅動電路來實現8路輸出、每路5V／1A的要求。

2．28路GPIO輸出電路設計與優化

此方案設計了一種由GPIO輸出信號經過功率驅動MOS管Q1驅動產生每路1A的電流，具體設計方案如圖3所示：該方案主要包括功率驅動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動MOS管Q1的柵極相連。R3一端與LED信號LED1－相連，另一端與貼片二極管D1的陽極以及功率驅動MOS管Q1的漏極相連，功率驅動MOS管Q1的源極與Q2的發射極均接地。本方案主要利用功率驅動MOS管的驅動作用來實現1A左右的大驅動電流，較現有方案的驅動電流大100倍左右。本設計方案兼容本文現有技術方案，現有方案只能滿足低驅動電流的需求，而本文設計方案能穩定、可靠地保證特定工控場所所需高、低驅動電流的需求，應用場景也更加廣泛。在通電情況下，當GPIO輸出信號OUTPU0經過R2且為高電平時，貼片三極管Q2導通，功率驅動MOS管Q1關斷，此時R3端的LED1－信號為高，此時外接LED燈不亮；當GPIO輸出信號OUTPU0經過R2且為低電平時，貼片二極管Q2關斷，功率驅動MOS管Q1導通，此時LED1－信號電阻電阻R3且為低電平，此時外接1ALED燈變亮且亮度正常。功率MOS管Q1可以提供1A左右的驅動電流，比一般GPIO輸出端提供的驅動電流大100倍左右。該電路GPIO輸出信號控制1ALED燈亮滅的實現，主要是根據所選擇MOS管的功率驅動進行控制的。其中，貼片二極管D1主要是鉗位保護的作用，為了防止客戶接感性負載時，保護功率驅動MOS管Q1免于瞬斷時的高壓沖擊。本文單路功率驅動電路彌補了現有技術方案GPIO輸出無法提供高驅動電流的缺陷。與現有技術方案相比較，本文設計更加穩定、可靠，提高產品測試的效率和質量，應用場景也更加廣泛。

3結束語

本技術方案設計方法是通過一種功率驅動電路來實現GPIO輸出高驅動電流，安全、可靠、穩定，適用性也相對較強。

作者:程傳陽 王振發 單位:研祥智能科技股份有限公司 國家特種計算機工程技術研究中心