STMicroelectronics STEVAL-FSM01M1數(shù)字I/O擴(kuò)展板是一款安全的雙通道數(shù)字I/O擴(kuò)展板，與STM32 Nucleo兼容。該板采用系統(tǒng)架構(gòu)，利用STMicro長(zhǎng)期積累的過(guò)往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)字I/O應(yīng)用，以求達(dá)到最高等級(jí)穩(wěn)健性，滿足工廠自動(dòng)化和功能安全等最具挑戰(zhàn)性的工業(yè)環(huán)境對(duì)運(yùn)行可靠性的要求。

數(shù)據(jù)手冊(cè)：*附件：STMicroelectronics STEVAL-FSM01M1數(shù)字IO擴(kuò)展板數(shù)據(jù)手冊(cè).pdf

大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)Nucleo擴(kuò)展板通常通過(guò)ARDUINO? Uno V3連接器插入STM32 Nucleo 板頂部。STMicro STEVAL-FSM01M1數(shù)字I/O擴(kuò)展板采用板載ST morpho擴(kuò)展排針，為連接在頂部的Nucleo提供基礎(chǔ)。管理STEVAL-FSM01M1運(yùn)行的微控制器引腳和外設(shè)，與最終連接到系統(tǒng)的其他X-NUCLEO板操作的引腳和外設(shè)進(jìn)行物理分離。

可將額外擴(kuò)展板輕松添加到堆棧中，以擴(kuò)展系統(tǒng)功能，而無(wú)需重疊使用的微控制器資源。STM32固件包STSW-FSM01與NUCLEO-F401RE兼容，可輕松調(diào)整以在任何其他STM32 Nucleo平臺(tái)上運(yùn)行。

特性

• 針對(duì)高穩(wěn)健性和安全性進(jìn)行了優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
• 完全靈活，用于測(cè)試和深入評(píng)估板載IC
• 工作電壓范圍：8V至30V（可選高達(dá)60V）
• 數(shù)字輸出電流額定值：2A (OUT1) 和0.5A (OUT2)
• 雙通道數(shù)字輸入，兼容IEC 61131-2 type 1和3
• 嵌入式冗余，包括級(jí)聯(lián)高側(cè)開(kāi)關(guān)拓?fù)?/li>
• IC特性的運(yùn)行時(shí)間控制（截止限制和測(cè)試脈沖生成）
• 板載ADC支持實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)完整性驗(yàn)證
• 每個(gè)I/O通道的狀態(tài)和診斷LED
• 2x額外LED，用于用戶定義的指示
• 板載1kVRMS電流隔離
• 主動(dòng)電源電壓反向極性保護(hù)
• 兼容STM32 Nucleo開(kāi)發(fā)板
• 固件包與NUCLEO-F401RE兼容
• 符合CE標(biāo)準(zhǔn)和RoHS指令

框圖

過(guò)程接口連接器和測(cè)試點(diǎn)

STEVAL-FSM01M1數(shù)字IO擴(kuò)展板技術(shù)解析與應(yīng)用實(shí)踐

一、產(chǎn)品概述與核心特性

?STEVAL-FSM01M1?是意法半導(dǎo)體推出的先進(jìn)雙通道數(shù)字I/O擴(kuò)展模塊，專為工業(yè)自動(dòng)化安全應(yīng)用設(shè)計(jì)。該評(píng)估板兼容STM32 Nucleo生態(tài)系統(tǒng)，具有以下突出特點(diǎn)：

核心特性

• ?寬工作電壓范圍?：8-30V（可擴(kuò)展至60V）
• ?雙通道數(shù)字輸出?：OUT1通道2A，OUT2通道0.5A
• ?雙通道數(shù)字輸入?：兼容IEC 61131-2 Type 1和3標(biāo)準(zhǔn)
• ?集成安全保護(hù)?：過(guò)流/過(guò)溫保護(hù)、快速去磁功能
• ?實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力?：集成12位ADC用于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控
• ?1kVRMS電氣隔離?：確保信號(hào)完整性

二、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成架構(gòu)

該模塊采用分層式硬件設(shè)計(jì)，主要包含五個(gè)核心部分：

1. ?數(shù)字接口與電氣隔離?
   • 通過(guò)ST morpho擴(kuò)展接頭CN7和CN10提供連接
   • 采用STISO621雙通道數(shù)字隔離器，支持100Mbps傳輸速率
   • 數(shù)字側(cè)最大供電電壓5V，通過(guò)"3V3"引腳供電
2. ?數(shù)字輸入部分?
   • 基于CLT03-2Q3自供電數(shù)字輸入電流限制器
   • 集成測(cè)試脈沖發(fā)生器，支持運(yùn)行時(shí)IC完整性驗(yàn)證
3. ?數(shù)字輸出部分?
   • 采用冗余安全設(shè)計(jì)：P溝道MOSFET STL42P6LLF6串聯(lián)高側(cè)開(kāi)關(guān)（IPS160HF/IPS161HF）
   • OUT1通道額定電流0.5A，OUT2通道2A
4. ?電源管理與保護(hù)?
   • L7983開(kāi)關(guān)降壓調(diào)節(jié)器+LK220低噪聲LDO的組合方案
   • STL42P6LLF6 MOSFET提供反極性保護(hù)
5. ?系統(tǒng)控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)?
   • ADC120 12位/1Msps模數(shù)轉(zhuǎn)換器
   • 每個(gè)輸出通道獨(dú)立診斷功能

2.2 接口設(shè)計(jì)詳解

? 過(guò)程接口連接器（CN1） ?采用精心設(shè)計(jì)的布局：

• 從左至右依次為：IN1、IN2、OUT1、OUT2
• 電源連接采用顏色區(qū)分：橙色（+24V）、藍(lán)色（GND）
• PE端子通過(guò)4.7nF高壓電容耦合

三、安全與可靠性設(shè)計(jì)

3.1 增強(qiáng)的安全架構(gòu)

該模塊在安全設(shè)計(jì)上具有多重保護(hù)機(jī)制：

?輸出通道保護(hù)?：

• 丟失VCC/GND保護(hù)
• 寄生反極性保護(hù)
• 外部去磁旁路電路
• 過(guò)流/過(guò)溫保護(hù)與診斷

?系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)?：

• 級(jí)聯(lián)高側(cè)開(kāi)關(guān)拓?fù)?/li>
• 運(yùn)行時(shí)IC特性控制（關(guān)斷限流和測(cè)試脈沖生成）
• 主動(dòng)控制的下拉電阻電路

3.2 工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性

專門針對(duì)嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，具有：

• 主動(dòng)電源電壓反極性保護(hù)
• TVS瞬態(tài)電壓抑制器
• 高速邏輯IC與功率芯片的電氣隔離

四、應(yīng)用場(chǎng)景與開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)

4.1 主要應(yīng)用領(lǐng)域

• ? 可編程邏輯控制器（PLC） ?
• ?工廠自動(dòng)化系統(tǒng)?
• ?功能安全應(yīng)用?
• ?傳感器/執(zhí)行器控制?

4.2 開(kāi)發(fā)靈活性

該模塊提供顯著的開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)：

• 可作為獨(dú)立測(cè)試板使用
• 兼容NUCLEO-F401RE和STM32 Nucleo平臺(tái)
• 支持額外的擴(kuò)展板堆疊
• 完整的固件包（STSW-FSM01）支持

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與最佳實(shí)踐

5.1 電氣參數(shù)優(yōu)化

• ?低功耗設(shè)計(jì)?：RDS(on)=60mΩ
• ?快速上電性能?：滿足安全自動(dòng)化需求
• ?獨(dú)立電源域?：確保過(guò)程側(cè)信號(hào)隔離

5.2 系統(tǒng)集成建議

• 利用板載測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試
• 通過(guò)ADC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)
• 充分利用診斷LED進(jìn)行狀態(tài)指示

六、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

STEVAL-FSM01M1代表了數(shù)字I/O技術(shù)的發(fā)展方向：

• ?更高集成度?：多功能芯片組合
• ?更強(qiáng)安全性能?：冗余設(shè)計(jì)與全面保護(hù)
• ?更好兼容性?：STM32生態(tài)系統(tǒng)集成