軟體可配置類比 I/O 的設計構思

過去，類比 I/O 曾經是最專業的固定功能硬體之一。例如，電流驅動器和電壓感測器是截然不同的零件，試圖讓它們互換會很荒謬。

但軟體可設定的類比 I/O 卻將之化為現實。如今，單一類比積體電路 (IC) 可以用於多種用途。例如，Analog Devices 的 MAX22000 工業 I/O 元件提供 6 個類比輸入和 1 個類比輸出，皆可配置為電壓或電流模式。

這些 IC 可以動態重新配置硬體以處理各種輸入和輸出類型，這種靈活性使其成為多功能系統的理想選擇。更甚的是，可配置 I/O 通常可以透過軟體進行微調，進而提高準確度和精密度。

案例研究：可攜式多功能校準器

由校準系統的需求為例，說明這些優勢。許多工業類比 I/O 模組需要定期校準以確保可正常運作。通常，這類型的校準涉及一系列儀器，這些儀器的運輸和操作都很麻煩。使用多功能元件取代這些儀器，技術人員可以提升工作效率，同時提高作業精密度。

例如，圖 1 所示的校準器設計能建立可攜式多功能系統，替代多個儀器。此外，這類電池供電的設計可以達到與大型桌上型校準器相當的效能。

圖 1：以 MAX22000 I/O 元件為中心建構的可攜式多功能校準器。(圖片來源：Analog Devices)

其設計核心是 MAX22000。除了支援電壓和電流感測之外，其輸入還可配置為熱電偶模式或電阻溫度偵測器 (RTD) 模式。這能讓此晶片非常適合校準溫度發射器或訊號調節器，因為它可以將電壓或電流輸出與熱電偶或 RTD 的溫度讀數進行比較。

此設計比較特別的功能之一是結合了溫度補償。實際上，它包括 MAX31875 的兩個實體，這是一個小型 0.84 × 0.84 × 0.35 mm 溫度感測器。如圖 1 所示，其中一個 IC 可以放置鄰近 MAX22000，另一個則靠近源極端子，達到端子之間電壓梯度的溫度補償。

以軟體可配置類比 I/O 為中心，設計嵌入式系統

如果您有意在 MAX22000 上建置這樣的系統，有一些事項需注意。我建議先用看看 MAX22000EVKIT# 評估套件 (圖 2)，以縮短 IC 配置學習曲線。

圖 2：MAX22000EVKIT# 評估套件包含用於配置 MAX22000 I/O 裝置的軟體。(圖片來源：Analog Devices)

您需要更強大的方式來配置元件，讓設計能就緒生產。可攜式校準器設計展示了其中一種方式。MAX22000 透過序列週邊介面 (SPI) 連接到 MAX32625、一個 Arm Cortex-M4F 微控制器。微控制器透過其通用非同步接收器／發射器 (UART) 連接埠，連接到板載 FTDI FT234XD-R USB 橋接器。

許多設計還需要顯示器和使用者控制。針對可攜式校準器，小型低解析度觸控螢幕，可以有效地滿足這兩個目的，例如 Seeed Technology Co., Ltd. 的 Nextion NX4827T043 - GE。這是 4.3 in(109.22 mm) 電阻式顯示器，提供 480 x 272 解析度，對於基本使用者介面而言綽綽有餘。

如果您不熟悉嵌入式系統，我建議您從 MAX32625MBED 等評估板入門。其基於 MAX32625 微控制器，提供用於為應用進行開發和偵錯的完整系統。此外，還可透過 Arduino 相容的連接器，連接 I/O 週邊裝置 (例如 USB 連接埠和顯示器) 的便利方式。

電池供電系統的電源管理

您會需要為可攜式校準器等電池供電系統整合電壓轉換和電池監控功能。在設計範例中，由 MAX17498 處理電壓轉換；這是一款返馳式轉換器，可將 5 V USB 輸入升壓至電池組所需的 7.2 V。同時，MAX17320X20-T 電量計可管理電池狀態，包括電壓、電流、溫度。

與本部落格中討論的其他組件一樣，這些 IC 也有評估套件。您可以採用 MAX17498BEVKIT 嘗試返馳式轉換器，並使用 MAX17320X2EVKIT 測試電量計。也可以使用 MAX31875EVKIT 試用小型 MAX31875 溫度感測器。

結論

在快速發展的工業電子領域中，軟體可配置類比 I/O 元件的開發為系統設計和操作提供前所未有的多功能性和效率。Analog Devices 的 MAX22000 即為良好一例，可提供多種類比訊號處理方法，根據需求進行重新配置以因應各種應用。