軟件可配置模擬I／O的設計理念

曾幾何時，模擬 I/O 就是最專業、功能最固定的硬件。例如，電流驅動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實。如今，單一模擬集成電路 (IC) 就能實現多種角色。例如，Analog Devices 的 MAX22000 工業 I/O 設備提供六個模擬輸入和一個模擬輸出，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的理想之選，因為硬件可以隨時重新配置，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行微調，從而提高準確度和精確度。

案例研究：便攜式多功能校準器

展示這些優點前，我們先考慮一下校準系統的要求。許多工業模擬 I/O 模塊需要定期校準，才能確保正常運行。通常情況下，校準需要使用一系列儀器，運輸和操作都很麻煩。用多功能設備取代這些儀器后，技術人員可以提高工作效率，同時提高了工作精度。

例如，圖 1 所示的校準器設計可用于打造一個可替代多種儀器的便攜式多功能系統。此外，這種電池供電的設計還能實現與笨重的臺式校準器相媲美的性能。

圖 1：可圍繞 MAX22000 I/O 設備構建的便攜式多功能校準器。（圖片來源：Analog Devices）

該設計的核心是 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溫度變送器或信號調節器，因為它可以將其電壓或電流輸出與熱電偶或 RTD 的溫度讀數進行比較。

該設計的一個顯著特點是集成了溫度補償。具體來說，它包含兩個 MAX31875，這是一個 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 IC 可以放置在 MAX22000 附近，另一個靠近源端子，從而實現對兩端之間電壓梯度的溫度補償。

圍繞軟件可配置模擬 I/O 設計嵌入式系統

如果您正在考慮以 MAX22000 為基礎設計這樣一個系統，有幾個設計注意事項需要注意。我建議首先使用 MAX22000EVKIT# 評估套件（圖 2）試驗一下，以縮短 IC 配置學習時間。

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

您需要一種更強大的方法來配置器件，以便實現生產就緒型設計。便攜式校準器設計就展示了這樣一種方法。MAX22000 通過串行外設接口 (SPI) 連接到 MAX32625——一個 Arm Cortex-M4F 單片機。該單片機通過其通用異步接收器/發送器 (UART) 端口連接到板載 FTDI FT234XD-R USB 橋接器。

許多設計還需要顯示器和用戶控制裝置。就便攜式校準器而言，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現這兩個目的。這款 4.3 英寸(109.22 mm) 電阻式顯示屏的分辨率為 480 x 272，對于基本用戶界面來說綽綽有余。

如果您是嵌入式系統新手，建議您從 MAX32625MBED 這樣的評估板開始。它基于 MAX32625 單片機，為應用開發和調試提供了一個完整的系統。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 外設的便捷方法。

電池供電型系統電源管理

您需要為像便攜式校準器這樣的電池供電型系統加入電壓轉換和電池監控功能。在本文示例設計中，電壓轉換由反激式轉換器 MAX17498 負責，它將 5 伏 USB 輸入電壓提升至電池組所需的 7.2 伏。同時，MAX17320X20-T 電量計管理電池狀態，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 也有評估套件。具體來說，您可以使用 MAX17498BEVKIT 測測這個反激式轉換器，使用 MAX17320X2EVKIT 試試電量計。您還可以使用 MAX31875EVKIT 試用一下微型 MAX31875 溫度傳感器。

結語

在快速發展的工業電子領域，軟件可配置模擬 I/O 器件的開發為系統設計和運行帶來了前所未有的多功能性和效率。Analog Devices 的 MAX22000 就是一個很好的實例，它提供了一個多面的模擬信號處理方法，可按需重新配置，以適應各種應用。