軟件可配置模擬I／O的設(shè)計(jì)理念

曾幾何時(shí)，模擬 I/O 就是最專業(yè)、功能最固定的硬件。例如，電流驅(qū)動(dòng)器和電壓傳感器是完全不同的零件，試圖顛倒其角色可謂是荒謬至極。

軟件可配置模擬 I/O 將這種荒謬變成了現(xiàn)實(shí)。如今，單一模擬集成電路 (IC) 就能實(shí)現(xiàn)多種角色。例如，Analog Devices 的 MAX22000 工業(yè) I/O 設(shè)備提供六個(gè)模擬輸入和一個(gè)模擬輸出，所有輸入和輸出均可配置為電壓或電流模式。

這些 IC 的靈活性使之成為多功能系統(tǒng)的理想之選，因?yàn)橛布梢噪S時(shí)重新配置，方便處理各種輸入和輸出類型。更為甚者，可配置的 I/O 通常可以通過軟件進(jìn)行微調(diào)，從而提高準(zhǔn)確度和精確度。

案例研究：便攜式多功能校準(zhǔn)器

展示這些優(yōu)點(diǎn)前，我們先考慮一下校準(zhǔn)系統(tǒng)的要求。許多工業(yè)模擬 I/O 模塊需要定期校準(zhǔn)，才能確保正常運(yùn)行。通常情況下，校準(zhǔn)需要使用一系列儀器，運(yùn)輸和操作都很麻煩。用多功能設(shè)備取代這些儀器后，技術(shù)人員可以提高工作效率，同時(shí)提高了工作精度。

例如，圖 1 所示的校準(zhǔn)器設(shè)計(jì)可用于打造一個(gè)可替代多種儀器的便攜式多功能系統(tǒng)。此外，這種電池供電的設(shè)計(jì)還能實(shí)現(xiàn)與笨重的臺(tái)式校準(zhǔn)器相媲美的性能。

圖 1：可圍繞 MAX22000 I/O 設(shè)備構(gòu)建的便攜式多功能校準(zhǔn)器。（圖片來源：Analog Devices）

該設(shè)計(jì)的核心是 MAX22000。除了支持電壓和電流檢測外，其輸入還可配置為熱電偶模式或電阻溫度檢測器 (RTD) 模式。這使得該芯片非常適合校準(zhǔn)溫度變送器或信號(hào)調(diào)節(jié)器，因?yàn)樗梢詫⑵潆妷夯螂娏鬏敵雠c熱電偶或 RTD 的溫度讀數(shù)進(jìn)行比較。

該設(shè)計(jì)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是集成了溫度補(bǔ)償。具體來說，它包含兩個(gè) MAX31875，這是一個(gè) 0.84 × 0.84 × 0.35 毫米 (mm) 的微型溫度傳感器。如圖 1 所示，其中一個(gè) IC 可以放置在 MAX22000 附近，另一個(gè)靠近源端子，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩端之間電壓梯度的溫度補(bǔ)償。

圍繞軟件可配置模擬 I/O 設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)

如果您正在考慮以 MAX22000 為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)這樣一個(gè)系統(tǒng)，有幾個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)需要注意。我建議首先使用 MAX22000EVKIT# 評(píng)估套件（圖 2）試驗(yàn)一下，以縮短 IC 配置學(xué)習(xí)時(shí)間。

圖 2：MAX22000EVKIT# 評(píng)估套件包含用于配置 MAX22000 I/O 器件的軟件。（圖片來源：Analog Devices）

您需要一種更強(qiáng)大的方法來配置器件，以便實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)就緒型設(shè)計(jì)。便攜式校準(zhǔn)器設(shè)計(jì)就展示了這樣一種方法。MAX22000 通過串行外設(shè)接口 (SPI) 連接到 MAX32625——一個(gè) Arm Cortex-M4F 單片機(jī)。該單片機(jī)通過其通用異步接收器/發(fā)送器 (UART) 端口連接到板載 FTDI FT234XD-R USB 橋接器。

許多設(shè)計(jì)還需要顯示器和用戶控制裝置。就便攜式校準(zhǔn)器而言，像 Seeed Technology Co., Ltd. 的 Nextion NX4827T043 - GE 這樣的小型、低分辨率觸摸屏就能有效實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目的。這款 4.3 英寸(109.22 mm) 電阻式顯示屏的分辨率為 480 x 272，對(duì)于基本用戶界面來說綽綽有余。

如果您是嵌入式系統(tǒng)新手，建議您從 MAX32625MBED 這樣的評(píng)估板開始。它基于 MAX32625 單片機(jī)，為應(yīng)用開發(fā)和調(diào)試提供了一個(gè)完整的系統(tǒng)。它還通過 Arduino 兼容連接器提供了連接如 USB 端口和顯示器之類 I/O 外設(shè)的便捷方法。

電池供電型系統(tǒng)電源管理

您需要為像便攜式校準(zhǔn)器這樣的電池供電型系統(tǒng)加入電壓轉(zhuǎn)換和電池監(jiān)控功能。在本文示例設(shè)計(jì)中，電壓轉(zhuǎn)換由反激式轉(zhuǎn)換器 MAX17498 負(fù)責(zé)，它將 5 伏 USB 輸入電壓提升至電池組所需的 7.2 伏。同時(shí)，MAX17320X20-T 電量計(jì)管理電池狀態(tài)，包括電壓、電流和溫度。

與本博客討論的其他元件一樣，這些 IC 也有評(píng)估套件。具體來說，您可以使用 MAX17498BEVKIT 測測這個(gè)反激式轉(zhuǎn)換器，使用 MAX17320X2EVKIT 試試電量計(jì)。您還可以使用 MAX31875EVKIT 試用一下微型 MAX31875 溫度傳感器。

結(jié)語

在快速發(fā)展的工業(yè)電子領(lǐng)域，軟件可配置模擬 I/O 器件的開發(fā)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行帶來了前所未有的多功能性和效率。Analog Devices 的 MAX22000 就是一個(gè)很好的實(shí)例，它提供了一個(gè)多面的模擬信號(hào)處理方法，可按需重新配置，以適應(yīng)各種應(yīng)用。