段寶利+徐曉東

摘 要：當(dāng)為控制系統(tǒng)選擇數(shù)字信號(hào)輸入/輸出模塊的接口類型時(shí)，正確理解Sinking Current（灌電流）和Sourcing Current（拉電流）的概念是非常重要的。討論數(shù)字信號(hào)輸入/輸出接口/連接電路時(shí)會(huì)經(jīng)常使用這些術(shù)語(yǔ)，在設(shè)計(jì)與負(fù)載連接的電路時(shí)，除了考慮電壓、電流、功率等匹配外，更要注意灌電流型和拉電流型DI/O的區(qū)別，以使得連接電路更合理、可靠，邏輯表達(dá)更清楚和正確。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)輸入/輸出；灌電流/吸入電流；拉電流/流出電流；公共端；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；負(fù)載

中圖分類號(hào)：TN919.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）03-0049-03

0 引 言

在控制系統(tǒng)中，一般不可避免地要用到數(shù)字輸入/輸出模塊（板卡），通過(guò)與外部設(shè)備的連接電路，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)DI/O信號(hào)的接入/接出及相應(yīng)控制邏輯。如在某控制系統(tǒng)中，選用了NI PXI-6514/6515DI/O板卡[1]，可提供32通道帶光耦Sourcing/Sinking混合型DI，同時(shí)，6514亦提供32通道帶光耦達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)Sourcing型DO，6515亦提供32通道帶光耦達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)Sinking型DO。雖然DO通道上電缺省為0，但可根據(jù)邏輯表達(dá)需求，軟件設(shè)置為0或1[2]。

1 數(shù)字信號(hào)線的連接

圖1所示是一種光隔離數(shù)字輸入信號(hào)線的連接圖，可以看出，DI通道既可以作為Sinking型使用，也可以作為Sourcing型來(lái)使用。連接電路將外部設(shè)備成對(duì)數(shù)字信號(hào)線引入到板卡接線端子，板卡內(nèi)接口電路允許電流雙向流動(dòng)。表1所列是DI接口驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)表。

圖1 光隔離數(shù)字輸入信號(hào)線連接圖

表 1 NI PXI-6514/6515 DI接口驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)參數(shù) 最小 最大

輸入邏輯低電平（VIL） 0 V DC ±4 V DC

輸入邏輯高電平（VIH） ±11 V DC ±30 V DC

高電平每通道最大通過(guò)能力（IIH） 4.5 mA/line 12.5 mA/line

圖2所示是光隔離Sourcing Current型數(shù)字輸出信號(hào)線的連接電路，該電路中，PXI-6514上DO通道只能作為Sourcing型使用。連接電路將板卡DO接線端子接到外部負(fù)載，板卡內(nèi)接口驅(qū)動(dòng)電路僅允許電流通過(guò)板卡DO接線端子單向流出。

圖2 光隔離Sourcing Current型數(shù)字輸出信號(hào)線連接電路

圖3所示是光隔離Sinking Current型數(shù)字輸出信號(hào)線連接電路，該電路中，PXI-6515上DO通道只能作為Sinking型使用。連接電路將板卡DO接線端子接到外部負(fù)載，板卡內(nèi)接口驅(qū)動(dòng)電路僅允許電流經(jīng)外部負(fù)載、信號(hào)線、板卡接線端子單向流入。表2所列是NI PXI-6514/6515 DO接口的驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖3 光隔離Sinking Current型數(shù)字輸出信號(hào)線連接電路圖

表2 NI PXI-6514/6515 DO接口驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)

環(huán)境溫度 PXI-6514

所有DO線 PXI-6514

單個(gè)DO線/Port PXI-6515

所有DO線 PXI-6515

單個(gè)DO線/ Port

35 ℃ 75 mA 350 mA 125 mA 500 mA

45 ℃ 75 mA 350 mA 120 mA 500 mA

55 ℃ 75 mA 350 mA 100 mA 500 mA

正確理解Sinking Current和Sourcing Current的概念是非常重要的。討論數(shù)字信號(hào)輸入/輸出接口/連接電路時(shí)會(huì)經(jīng)常使用這些術(shù)語(yǔ)。

2 原理解析

Sinking Current（灌電流）：即外部電路電流通過(guò)芯片引腳向芯片內(nèi)灌入。如圖4（a）所示，當(dāng)芯片引腳呈現(xiàn)0 V電平時(shí)，LED燈即亮。

Sourcing Current（拉電流）：即芯片內(nèi)部電流通過(guò)引腳從芯片內(nèi)流出至外部電路。圖4所示是灌電流與拉電流原理圖，在圖4（b）中，當(dāng)芯片引腳呈現(xiàn)高電平時(shí)，LED燈即亮。

（a）Sinking Current（灌電流） （b）Sourcing Current（拉電流）

圖4 灌電流與拉電流原理圖

圖5給出了4種可能的DI/O、Sinking型和Sourcing型組合連接電路原理。其中如圖5（a）描述了一個(gè)Sinking型DI。要正確地連接外部電源，連接電路必須使DI端提供一個(gè)到電源負(fù)端的路徑。因此，從PLC的板卡DI端子開(kāi)始，經(jīng)板卡內(nèi)部輸入感測(cè)電路，最后經(jīng)其Common端退出，然后連接到外部電源負(fù)極的公共端子上。然后在電源正極和DI端子間接入一個(gè)開(kāi)關(guān)用來(lái)表示數(shù)字信號(hào)邏輯，連接電路完成。電流順著箭頭的方向流動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合。圖5中的其余連接電路解析，這里不再贅述。

（a）Sinking Current型DI （b）Sinking Current型DO

（c）Sourcing Current型DI （d）Sourcing Current型DO

圖5 Sinking型和Sourcing型DI/O連接電路原理圖

比較圖5所示的4種連接電路，會(huì)發(fā)現(xiàn)：

外部電源、連接電路、板卡內(nèi)部電路等都是針對(duì)直流電路而言，而不是交流，因?yàn)樯婕暗秸龢O、負(fù)極極性。比如上述NI PXI-6514/6515DI/O板卡，DI/O支持最大30 V DC，一般常選用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)24 V DC邏輯電平。

無(wú)論Sinking型和Sourcing型DI/O板卡都需要一個(gè)Common公共端即COM端，充當(dāng)所有DI/O接線端公共回路的終端。最終，Sinking型DI/O的公共COM端必須接到電源負(fù)端，而Sourcing型DI/O的公共COM端必須接到電源正端。通俗地說(shuō)，Sinking型DI/O是共信號(hào)地型（共GND）連接，Sourcing型DI/O是共電源型（共VCC）連接。

Sinking型和Sourcing型DI/O只適用于直流輸入和輸出電路，只能使用單向信號(hào)電流。這意味著它可能連接外部電源和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到I/O點(diǎn)上，而電流流向錯(cuò)誤時(shí)，信號(hào)將無(wú)法傳遞。不要在直流Sinking型和Sourcing型DI/O點(diǎn)上使用交流電源。

針對(duì)不同板卡上Sinking型和Sourcing型DO接口電路，無(wú)論其對(duì)外驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)弱，均可近似地看做成一個(gè)開(kāi)關(guān)通斷型三極管，Sinking型看做成NPN，Sourcing型看做成PNP。

3 應(yīng)用實(shí)例

一個(gè)最簡(jiǎn)單的電路，只有一個(gè)DO端連接一個(gè)DI端。這樣一個(gè)電路需要一對(duì)電源（VCC）、地（GND）和一個(gè)負(fù)載才能工作。那么Sourcing數(shù)字IO便為這個(gè)電路提供電源，Sinking數(shù)字IO為此電路提供信號(hào)地，DI為此電路提供負(fù)載。

圖6所示是一個(gè)Sinking型DO連接一個(gè)Sourcing型DI的應(yīng)用實(shí)例。Sourcing型DI提供了電源和負(fù)載，Sinking型DO提供了信號(hào)地。Sinking型DO通過(guò)三極管來(lái)控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖6 Sinking型DO與Sourcing型DI連接電路

圖7所示是一個(gè)Sourcing型DO連接了一個(gè)Sinking型DI。那么，Sourcing型DO提供電源，Sinking型DI提供信號(hào)地和負(fù)載。Sourcing型DO通過(guò)三極管來(lái)控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖7 Sourcing型DO與Sinking型DI連接電路

因?yàn)樵谝粋€(gè)完整的電路中必須有一對(duì)直流電源和地。所以，或者是將Sourcing型DO接到Sinking型DI，或者是將Sinking型DO接到Sourcing型DI。如果硬要將同型的DO和DI接到一起，就額外需要外接上拉或下拉電阻，否則就不能正常工作，比較麻煩，較少采用。圖8所示為一個(gè)Sinking型DI接入一個(gè)DO為PNP（Sourcing）型的外部設(shè)備[3]。

圖8 Sinking型DI接入外部設(shè)備PNP（Sourcing）型DO

的三線連接電路

針對(duì)Sinking /Sourcing組合型DI/O接口電路，其綜合了Sinking型和Sourcing型的能力，意味著該DI/O既可以作為Sinking型使用，也可以作為Sourcing型使用，其接口電路實(shí)質(zhì)是允許電流在兩個(gè)方向流動(dòng)的。如圖9所示，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PLC的NPN（Sinking）/PNP（Sourcing）組合型DO與外部設(shè)備DI的連接電路實(shí)例[4]，Common端連接到電源一個(gè)極，DO點(diǎn)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到電源的另一個(gè)極。這極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（PLC）連接電源及匹配不同外部設(shè)備的靈活性。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章對(duì)Sinking Current（灌電流）型和Sourcing Current（拉電流）型數(shù)字信號(hào)輸入/輸出接口應(yīng)用予以簡(jiǎn)要介紹，在實(shí)際工作中，雖然每一控制系統(tǒng)的DI/O應(yīng)用平臺(tái)千差萬(wàn)別、而且面對(duì)的外部設(shè)備（負(fù)載）DI/O接口也是形形色色[5]，當(dāng)我們?yōu)榭刂葡到y(tǒng)及外部設(shè)備選擇數(shù)字信號(hào)輸入/輸出模塊接口類型及設(shè)計(jì)與負(fù)載連接電路時(shí)，除了考慮電壓、電流、功率等匹配外，更要注意灌電流型和拉電流型DI/O的區(qū)別，使得應(yīng)用過(guò)程中連接電路合理、可靠，邏輯表達(dá)清楚、正確。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]美國(guó)國(guó)家儀器.NI 651x Specifications[R].2009.

[2]美國(guó)國(guó)家儀器.DAQ，NI 651x User Manual[R].2009.

[3]美國(guó)國(guó)家儀器.Motion Control，NI Universal Motion Interface （UMI）-7774/7772User Manual[R].2004.

[4]嚴(yán)盈福.觸摸屏與PLC入門(mén)[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.

[5]吳曉.計(jì)算機(jī)工業(yè)控制技術(shù)[M].廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)出版社，2006.

Application of I/O interface for Sinking and Sourcing digital signal

DUAN Bao-li， XU Xiao-dong

（China Aircraft Strength Research Institute， Xian 710065， China）

Abstract： It is important to comprehend the concept of Sinking Current and Sourcing Current when choosing the DI/O module interface type for control system. Both of these are frequently used when discussing digital signal input/output interface and connect circuit. When the circuit connected to the load is designed， it should be paid great attention to the difference of DI/O between Sinking Current and Sourcing Current， besides considering the matching of voltage， current， and power， to ensure the connect circuit logical and reliable.

Keywords： DI/O （Digital signal Input/Output）； Sinking Current； Sourcing Current； COM； field device； load

Sinking型和Sourcing型DI/O只適用于直流輸入和輸出電路，只能使用單向信號(hào)電流。這意味著它可能連接外部電源和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到I/O點(diǎn)上，而電流流向錯(cuò)誤時(shí)，信號(hào)將無(wú)法傳遞。不要在直流Sinking型和Sourcing型DI/O點(diǎn)上使用交流電源。

針對(duì)不同板卡上Sinking型和Sourcing型DO接口電路，無(wú)論其對(duì)外驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)弱，均可近似地看做成一個(gè)開(kāi)關(guān)通斷型三極管，Sinking型看做成NPN，Sourcing型看做成PNP。

3 應(yīng)用實(shí)例

一個(gè)最簡(jiǎn)單的電路，只有一個(gè)DO端連接一個(gè)DI端。這樣一個(gè)電路需要一對(duì)電源（VCC）、地（GND）和一個(gè)負(fù)載才能工作。那么Sourcing數(shù)字IO便為這個(gè)電路提供電源，Sinking數(shù)字IO為此電路提供信號(hào)地，DI為此電路提供負(fù)載。

圖6所示是一個(gè)Sinking型DO連接一個(gè)Sourcing型DI的應(yīng)用實(shí)例。Sourcing型DI提供了電源和負(fù)載，Sinking型DO提供了信號(hào)地。Sinking型DO通過(guò)三極管來(lái)控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖6 Sinking型DO與Sourcing型DI連接電路

圖7所示是一個(gè)Sourcing型DO連接了一個(gè)Sinking型DI。那么，Sourcing型DO提供電源，Sinking型DI提供信號(hào)地和負(fù)載。Sourcing型DO通過(guò)三極管來(lái)控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖7 Sourcing型DO與Sinking型DI連接電路

因?yàn)樵谝粋€(gè)完整的電路中必須有一對(duì)直流電源和地。所以，或者是將Sourcing型DO接到Sinking型DI，或者是將Sinking型DO接到Sourcing型DI。如果硬要將同型的DO和DI接到一起，就額外需要外接上拉或下拉電阻，否則就不能正常工作，比較麻煩，較少采用。圖8所示為一個(gè)Sinking型DI接入一個(gè)DO為PNP（Sourcing）型的外部設(shè)備[3]。

圖8 Sinking型DI接入外部設(shè)備PNP（Sourcing）型DO

的三線連接電路

針對(duì)Sinking /Sourcing組合型DI/O接口電路，其綜合了Sinking型和Sourcing型的能力，意味著該DI/O既可以作為Sinking型使用，也可以作為Sourcing型使用，其接口電路實(shí)質(zhì)是允許電流在兩個(gè)方向流動(dòng)的。如圖9所示，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PLC的NPN（Sinking）/PNP（Sourcing）組合型DO與外部設(shè)備DI的連接電路實(shí)例[4]，Common端連接到電源一個(gè)極，DO點(diǎn)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到電源的另一個(gè)極。這極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（PLC）連接電源及匹配不同外部設(shè)備的靈活性。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章對(duì)Sinking Current（灌電流）型和Sourcing Current（拉電流）型數(shù)字信號(hào)輸入/輸出接口應(yīng)用予以簡(jiǎn)要介紹，在實(shí)際工作中，雖然每一控制系統(tǒng)的DI/O應(yīng)用平臺(tái)千差萬(wàn)別、而且面對(duì)的外部設(shè)備（負(fù)載）DI/O接口也是形形色色[5]，當(dāng)我們?yōu)榭刂葡到y(tǒng)及外部設(shè)備選擇數(shù)字信號(hào)輸入/輸出模塊接口類型及設(shè)計(jì)與負(fù)載連接電路時(shí)，除了考慮電壓、電流、功率等匹配外，更要注意灌電流型和拉電流型DI/O的區(qū)別，使得應(yīng)用過(guò)程中連接電路合理、可靠，邏輯表達(dá)清楚、正確。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]美國(guó)國(guó)家儀器.NI 651x Specifications[R].2009.

[2]美國(guó)國(guó)家儀器.DAQ，NI 651x User Manual[R].2009.

[3]美國(guó)國(guó)家儀器.Motion Control，NI Universal Motion Interface （UMI）-7774/7772User Manual[R].2004.

[4]嚴(yán)盈福.觸摸屏與PLC入門(mén)[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.

[5]吳曉.計(jì)算機(jī)工業(yè)控制技術(shù)[M].廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)出版社，2006.

Application of I/O interface for Sinking and Sourcing digital signal

DUAN Bao-li， XU Xiao-dong

（China Aircraft Strength Research Institute， Xian 710065， China）

Abstract： It is important to comprehend the concept of Sinking Current and Sourcing Current when choosing the DI/O module interface type for control system. Both of these are frequently used when discussing digital signal input/output interface and connect circuit. When the circuit connected to the load is designed， it should be paid great attention to the difference of DI/O between Sinking Current and Sourcing Current， besides considering the matching of voltage， current， and power， to ensure the connect circuit logical and reliable.

Keywords： DI/O （Digital signal Input/Output）； Sinking Current； Sourcing Current； COM； field device； load

Sinking型和Sourcing型DI/O只適用于直流輸入和輸出電路，只能使用單向信號(hào)電流。這意味著它可能連接外部電源和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到I/O點(diǎn)上，而電流流向錯(cuò)誤時(shí)，信號(hào)將無(wú)法傳遞。不要在直流Sinking型和Sourcing型DI/O點(diǎn)上使用交流電源。

針對(duì)不同板卡上Sinking型和Sourcing型DO接口電路，無(wú)論其對(duì)外驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)弱，均可近似地看做成一個(gè)開(kāi)關(guān)通斷型三極管，Sinking型看做成NPN，Sourcing型看做成PNP。

3 應(yīng)用實(shí)例

一個(gè)最簡(jiǎn)單的電路，只有一個(gè)DO端連接一個(gè)DI端。這樣一個(gè)電路需要一對(duì)電源（VCC）、地（GND）和一個(gè)負(fù)載才能工作。那么Sourcing數(shù)字IO便為這個(gè)電路提供電源，Sinking數(shù)字IO為此電路提供信號(hào)地，DI為此電路提供負(fù)載。

圖6所示是一個(gè)Sinking型DO連接一個(gè)Sourcing型DI的應(yīng)用實(shí)例。Sourcing型DI提供了電源和負(fù)載，Sinking型DO提供了信號(hào)地。Sinking型DO通過(guò)三極管來(lái)控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖6 Sinking型DO與Sourcing型DI連接電路

圖7所示是一個(gè)Sourcing型DO連接了一個(gè)Sinking型DI。那么，Sourcing型DO提供電源，Sinking型DI提供信號(hào)地和負(fù)載。Sourcing型DO通過(guò)三極管來(lái)控制連接線上的電平為高電平（+VCC）或是低電平（0 V）。

圖7 Sourcing型DO與Sinking型DI連接電路

因?yàn)樵谝粋€(gè)完整的電路中必須有一對(duì)直流電源和地。所以，或者是將Sourcing型DO接到Sinking型DI，或者是將Sinking型DO接到Sourcing型DI。如果硬要將同型的DO和DI接到一起，就額外需要外接上拉或下拉電阻，否則就不能正常工作，比較麻煩，較少采用。圖8所示為一個(gè)Sinking型DI接入一個(gè)DO為PNP（Sourcing）型的外部設(shè)備[3]。

圖8 Sinking型DI接入外部設(shè)備PNP（Sourcing）型DO

的三線連接電路

針對(duì)Sinking /Sourcing組合型DI/O接口電路，其綜合了Sinking型和Sourcing型的能力，意味著該DI/O既可以作為Sinking型使用，也可以作為Sourcing型使用，其接口電路實(shí)質(zhì)是允許電流在兩個(gè)方向流動(dòng)的。如圖9所示，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PLC的NPN（Sinking）/PNP（Sourcing）組合型DO與外部設(shè)備DI的連接電路實(shí)例[4]，Common端連接到電源一個(gè)極，DO點(diǎn)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到電源的另一個(gè)極。這極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（PLC）連接電源及匹配不同外部設(shè)備的靈活性。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章對(duì)Sinking Current（灌電流）型和Sourcing Current（拉電流）型數(shù)字信號(hào)輸入/輸出接口應(yīng)用予以簡(jiǎn)要介紹，在實(shí)際工作中，雖然每一控制系統(tǒng)的DI/O應(yīng)用平臺(tái)千差萬(wàn)別、而且面對(duì)的外部設(shè)備（負(fù)載）DI/O接口也是形形色色[5]，當(dāng)我們?yōu)榭刂葡到y(tǒng)及外部設(shè)備選擇數(shù)字信號(hào)輸入/輸出模塊接口類型及設(shè)計(jì)與負(fù)載連接電路時(shí)，除了考慮電壓、電流、功率等匹配外，更要注意灌電流型和拉電流型DI/O的區(qū)別，使得應(yīng)用過(guò)程中連接電路合理、可靠，邏輯表達(dá)清楚、正確。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]美國(guó)國(guó)家儀器.NI 651x Specifications[R].2009.

[2]美國(guó)國(guó)家儀器.DAQ，NI 651x User Manual[R].2009.

[3]美國(guó)國(guó)家儀器.Motion Control，NI Universal Motion Interface （UMI）-7774/7772User Manual[R].2004.

[4]嚴(yán)盈福.觸摸屏與PLC入門(mén)[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.

[5]吳曉.計(jì)算機(jī)工業(yè)控制技術(shù)[M].廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)出版社，2006.

Application of I/O interface for Sinking and Sourcing digital signal

DUAN Bao-li， XU Xiao-dong

（China Aircraft Strength Research Institute， Xian 710065， China）

Abstract： It is important to comprehend the concept of Sinking Current and Sourcing Current when choosing the DI/O module interface type for control system. Both of these are frequently used when discussing digital signal input/output interface and connect circuit. When the circuit connected to the load is designed， it should be paid great attention to the difference of DI/O between Sinking Current and Sourcing Current， besides considering the matching of voltage， current， and power， to ensure the connect circuit logical and reliable.

Keywords： DI/O （Digital signal Input/Output）； Sinking Current； Sourcing Current； COM； field device； load