Sinking型和Sourcing型数字信号I/O接口应用
摘 要：当为控制系统选择数字信号输入/输出模块的接口类型时，正确理解Sinking Current（灌电流）和Sourcing Current（拉电流）的概念是非常重要的。讨论数字信号输入/输出接口/连接电路时会经常使用这些术语，在设计与负载连接的电路时，除了考虑电压、电流、功率等匹配外，更要注意灌电流型和拉电流型DI/O的区别，以使得连接电路更合理、可靠，逻辑表达更清楚和正确。
关键词：数字信号输入/输出；灌电流/吸入电流；拉电流/流出电流；公共端；现场设备；负载
中图分类号：TN919.3 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）03-0049-03
0 引 言
在控制系统中，一般不可避免地要用到数字输入/输出模块（板卡），通过与外部设备的连接电路，实现控制系统DI/O信号的接入/接出及相应控制逻辑。如在某控制系统中，选用了NI PXI-6514/6515DI/O板卡[1]，可提供32通道带光耦Sourcing/Sinking混合型DI，同时，6514亦提供32通道带光耦达林顿驱动Sourcing型DO，6515亦提供32通道带光耦达林顿驱动Sinking型DO。虽然DO通道上电缺省为0，但可根据逻辑表达需求，软件设置为0或1[2]。
1 数字信号线的连接
图1所示是一种光隔离数字输入信号线的连接图，可以看出，DI通道既可以作为Sinking型使用，也可以作为Sourcing型来使用。连接电路将外部设备成对数字信号线引入到板卡接线端子，板卡内接口电路允许电流双向流动。表1所列是DI接口驱动电路的参数表。
图1 光隔离数字输入信号线连接图
表 1 NI PXI-6514/6515 DI接口驱动电路参数参数最小最大
输入逻辑低电平（VIL）0 V DC±4 V DC
输入逻辑高电平（VIH）±11 V DC±30 V DC
高电平每通道最大通过能力（IIH）4.5 mA/line12.5 mA/line
图2所示是光隔离Sourcing Current型数字输出信号线的连接电路，该电路中，PXI-6514上DO通道只能作为Sourcing型使用。连接电路将板卡DO接线端子接到外部负载，板卡内接口驱动电路仅允许电流通过板卡DO接线端子单向流出。
图2 光隔离Sourcing Current型数字输出信号线连接电路
图3所示是光隔离Sinking Current型数字输出信号线连接电路，该电路中，PXI-6515上DO通道只能作为Sinking型使用。连接电路将板卡DO接线端子接到外部负载，板卡内接口驱动电路仅允许电流经外部负载、信号线、板卡接线端子单向流入。表2所列是NI PXI-6514/6515 DO接口的驱动电路图。
图3 光隔离Sinking Current型数字输出信号线连接电路图
表2 NI PXI-6514/6515 DO接口驱动电路参数
环境温度PXI-6514
所有DO线PXI-6514
单个DO线/PortPXI-6515
所有DO线PXI-6515
单个DO线/ Port
35 ℃75 mA350 mA125 mA500 mA
45 ℃75 mA350 mA120 mA500 mA
55 ℃75 mA350 mA100 mA500 mA
正确理解Sinking Current和Sourcing Current的概念是非常重要的。讨论数字信号输入/输出接口/连接电路时会经常使用这些术语。
2 原理解析
Sinking Current（灌电流）：即外部电路电流通过芯片引脚向芯片内灌入。如图4（a）所示，当芯片引脚呈现0 V电平时，LED灯即亮。
Sourcing Current（拉电流）：即芯片内部电流通过引脚从芯片内流出至外部电路。图4所示是灌电流与拉电流原理图，在图4（b）中，当芯片引脚呈现高电平时，LED灯即亮。
（a）Sinking Current（灌电流） （b）Sourcing Current（拉电流）
图4 灌电流与拉电流原理图
图5给出了4种可能的DI/O、Sinking型和Sourcing型组合连接电路原理。其中如图5（a）描述了一个Sinking型DI。要正确地连接外部电源，连接电路必须使DI端提供一个到电源负端的路径。因此，从PLC的板卡DI端子开始，经板卡内部输入感测电路，最后经其Common端退出，然后连接到外部电源负极的公共端子上。然后在电源正极和DI端子间接入一个开关用来表示数字信号逻辑，连接电路完成。电流顺着箭头的方向流动时，开关闭合。图5中的其余连接电路解析，这里不再赘述。
（a）Sinking Current型DI （b）Sinking Current型DO
（c）Sourcing Current型DI （d）Sourcing Current型DO
图5 Sinking型和Sourcing型DI/O连接电路原理图
比较图5所示的4种连接电路，会发现：
外部电源、连接电路、板卡内部电路等都是针对直流电路而言，而不是交流，因为涉及到正极、负极极性。比如上述NI PXI-6514/6515DI/O板卡，DI/O支持最大30 V DC，一般常选用工业标准24 V DC逻辑电平。
无论Sinking型和Sourcing型DI/O板卡都需要一个Common公共端即COM端，充当所有DI/O接线端公共回路的终端。最终，Sinking型DI/O的公共COM端必须接到电源负端，而Sourcing型DI/O的公共COM端必须接到电源正端。通俗地说，Sinking型DI/O是共信号地型（共GND）连接，Sourcing型DI/O是共电源型（共VCC）连接。
Sinking型和Sourcing型DI/O只适用于直流输入和输出电路，只能使用单向信号电流。这意味着它可能连接外部电源和现场设备到I/O点上，而电流流向错误时，信号将无法传递。不要在直流Sinking型和Sourcing型DI/O点上使用交流电源。
针对不同板卡上Sinking型和Sourcing型DO接口电路，无论其对外驱动能力强弱，均可近似地看做成一个开关通断型三极管，Sinking型看做成NPN，Sourcing型看做成PNP。
3 应用实例
一个最简单的电路，只有一个DO端连接一个DI端。这样一个电路需要一对电源（VCC）、地（GND）和一个负载才能工作。那么Sourcing数字IO便为这个电路提供电源，Sinking数字IO为此电路提供信号地，DI为此电路提供负载。
图6所示是一个Sinking型DO连接一个Sourcing型DI的应用实例。Sourcing型DI提供了电源和负载，Sinking型DO提供了信号地。Sinking型DO通过三极管来控制连接线上的电平为高电平（+VCC）或是低电平（0 V）。
图6 Sinking型DO与Sourcing型DI连接电路
图7所示是一个Sourcing型DO连接了一个Sinking型DI。那么，Sourcing型DO提供电源，Sinking型DI提供信号地和负载。Sourcing型DO通过三极管来控制连接线上的电平为高电平（+VCC）或是低电平（0 V）。
图7 Sourcing型DO与Sinking型DI连接电路
因为在一个完整的电路中必须有一对直流电源和地。所以，或者是将Sourcing型DO接到Sinking型DI，或者是将Sinking型DO接到Sourcing型DI。如果硬要将同型的DO和DI接到一起，就额外需要外接上拉或下拉电阻，否则就不能正常工作，比较麻烦，较少采用。图8所示为一个Sinking型DI接入一个DO为PNP（Sourcing）型的外部设备[3]。
图8 Sinking型DI接入外部设备PNP（Sourcing）型DO
的三线连接电路
针对Sinking /Sourcing组合型DI/O接口电路，其综合了Sinking型和Sourcing型的能力，意味着该DI/O既可以作为Sinking型使用，也可以作为Sourcing型使用，其接口电路实质是允许电流在两个方向流动的。如图9所示，现场设备PLC的NPN（Sinking）/PNP（Sourcing）组合型DO与外部设备DI的连接电路实例[4]，Common端连接到电源一个极，DO点通过现场设备连接到电源的另一个极。这极大地提高了现场设备（PLC）连接电源及匹配不同外部设备的灵活性。
4 结 语
文章对Sinking Current（灌电流）型和Sourcing Current（拉电流）型数字信号输入/输出接口应用予以简要介绍，在实际工作中，虽然每一控制系统的DI/O应用平台千差万别、而且面对的外部设备（负载）DI/O接口也是形形色色[5]，当我们为控制系统及外部设备选择数字信号输入/输出模块接口类型及设计与负载连接电路时，除了考虑电压、电流、功率等匹配外，更要注意灌电流型和拉电流型DI/O的区别，使得应用过程中连接电路合理、可靠，逻辑表达清楚、正确。
参 考 文 献
[1]美国国家仪器.NI 651x Specifications[R].2009.
[2]美国国家仪器.DAQ，NI 651x User Manual[R].2009.
[3]美国国家仪器.Motion Control，NI Universal Motion Interface （UMI）-7774/7772User Manual[R].2004.
[4]严盈福.触摸屏与PLC入门[M]. 北京：人民邮电出版社，2006.
[5]吴晓.计算机工业控制技术[M].厦门：厦门大学出版社，2006.
Application of I/O interface for Sinking and Sourcing digital signal
DUAN Bao-li， XU Xiao-dong
（China Aircraft Strength Research Institute， Xi’an 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