Designideen für softwarekonfigurierbare analoge I/O

Es gab eine Zeit, in der analoge I/O-Bausteine zu den am meisten spezialisierten Komponenten mit fester Funktion gehörten. Ein Stromtreiber und ein Spannungssensor zum Beispiel waren völlig unterschiedliche Bauteile, und der Versuch, ihre Rollen zu vertauschen, wäre absurd gewesen.

Software-konfigurierbare analoge I/O haben diese Absurdität in eine praktische Realität verwandelt. Heutzutage kann ein einziger analoger integrierter Schaltkreis (IC) viele Funktionen erfüllen. Das industrielle I/O-Bauteil MAX22000 von Analog Devices bietet beispielsweise sechs analoge Eingänge und einen analogen Ausgang, die alle entweder für den Spannungs- oder Strommodus konfiguriert werden können.

Die Flexibilität dieser ICs macht sie ideal für Multifunktionssysteme, da die Hardware im Handumdrehen umkonfiguriert werden kann, um verschiedene Eingangs- und Ausgangstypen zu verarbeiten. Noch besser ist, dass konfigurierbare I/O oft per Software feinabgestimmt werden können, was die Genauigkeit und Präzision erhöht.

Fallstudie: Tragbarer Multifunktionskalibrator

Um diese Vorteile zu veranschaulichen, betrachten wir die Anforderungen an Kalibrierungssysteme. Viele industrielle analoge I/O-Module müssen regelmäßig kalibriert werden, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten. Diese Kalibrierung erfordert in der Regel eine Reihe von Instrumenten, die umständlich zu transportieren und zu bedienen sein können. Wenn diese Instrumente durch ein Multifunktionsgerät ersetzt werden, kann das technische Personal produktiver arbeiten und gleichzeitig die Präzision ihrer Arbeit verbessern.

Der in Abbildung 1 gezeigte Kalibrator kann zum Beispiel als tragbares Multifunktionssystem verwendet werden, das mehrere Geräte ersetzen kann. Darüber hinaus kann dieses batteriebetriebene Gerät eine Performance erreichen, die mit sperrigen Tischkalibratoren vergleichbar ist.

Abbildung 1: Mit der I/O-Komponente MAX22000 kann ein tragbarer Multifunktionskalibrator aufgebaut werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Herzstück des Designs ist der MAX22000. Neben der Unterstützung von Spannungs- und Strommessungen können die Eingänge für Thermoelemente oder Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) konfiguriert werden. Damit eignet sich der Chip ideal für die Kalibrierung von Temperaturtransmittern oder Signalkonditionierern, da er deren Spannungs- oder Stromausgänge mit den Temperaturmesswerten eines Thermoelements oder RTD vergleichen kann.

Ein bemerkenswertes Merkmal dieses Designs ist die integrierte Temperaturkompensation. Es enthält zwei Exemplare des MAX31875, eines winzigen Temperatursensors der Größe 0,84 × 0,84 × 0,35 Millimeter (mm). Wie in Abbildung 1 dargestellt, kann einer dieser ICs neben dem MAX22000 platziert werden, während der andere in der Nähe der Quellenanschlüsse platziert wird, was eine Temperaturkompensation des Spannungsgradienten zwischen den Anschlüssen ermöglicht.

Entwurf eines eingebetteten Systems mit softwarekonfigurierbaren analogen I/O

Wenn Sie in Erwägung ziehen, ein solches System auf dem MAX22000 aufzubauen, sollten Sie einige Designüberlegungen anstellen. Ich empfehle, zunächst mit dem Evaluierungskit MAX22000EVKIT# (Abbildung 2) zu experimentieren, um die Lernkurve der IC-Konfiguration zu verkürzen.

Abbildung 2: Das Evaluierungskit MAX22000EVKIT# enthält Software zur Konfiguration des I/O-Bausteins MAX22000. (Bildquelle: Analog Devices)

Sie benötigen ein robusteres Mittel zur Konfiguration des Geräts für ein produktionsreifes Design. Das Design des tragbaren Kalibrators zeigt eine Möglichkeit auf, wie dies geschehen kann. Der MAX22000 ist über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) mit dem MAX32625, einem Arm-Cortex-M4F-Mikrocontroller, verbunden. Der Mikrocontroller ist über seinen UART-Port (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) mit einer integrierten USB-Bridge FT234XD-R von FTDI verbunden.

Für viele Entwürfe werden auch ein Display und Bedienelemente benötigt. Im Falle eines tragbaren Kalibrators erfüllt ein kleiner, niedrig auflösender Touchscreen wie der Nextion NX4827T043 - GE von Seeed Technology Co., Ltd. beide Zwecke effektiv. Dieses resistive 4,3 Zoll (in.) (109,22 mm) Display bietet eine Auflösung von 480 x 272 Punkten, was für eine einfache Schnittstelle mehr als ausreichend ist.

Wenn Sie neu auf dem Gebiet der Embedded-Systeme sind, empfehle ich Ihnen, mit einem Evaluierungsboard wie dem MAX32625MBED zu beginnen. Basierend auf dem Mikrocontroller MAX32625 bietet es ein komplettes System für die Entwicklung und das Debugging von Anwendungen. Es bietet auch eine praktische Möglichkeit, I/O-Peripheriekomponenten wie USB-Ports und Displays über Arduino-kompatible Anschlüsse zu verbinden.

Energiemanagement für batteriebetriebene Systeme

Für batteriebetriebene Systeme wie den tragbaren Kalibrator müssen Sie eine Spannungsumwandlung und eine Batterieüberwachung einbauen. Im Beispieldesign wird die Spannungsumwandlung vom MAX17498 übernommen, einem Sperrwandler, der die 5-Volt-USB-Eingangsspannung auf die vom Batterie-Pack benötigten 7,2 Volt anhebt. Gleichzeitig verwaltet der Ladezustandsmonitor MAX17320X20-T den Batteriestatus, einschließlich Spannung, Strom und Temperatur.

Wie bei den anderen in diesem Blog besprochenen Komponenten gibt es auch für diese ICs Evaluierungskits. Konkret können Sie den Sperrwandler mit dem Evaluierungskit MAX17498BEVKIT testen und den Ladezustandsmonitor mit dem MAX17320X2EVKIT. Sie können auch das MAX31875EVKIT verwenden, um den winzigen Temperatursensor MAX31875 auszutesten.

Fazit

In der sich schnell entwickelnden Landschaft der Industrieelektronik ermöglicht die Entwicklung von softwarekonfigurierbaren analogen I/O-Komponenten eine noch nie dagewesene Vielseitigkeit und Effizienz bei Systemdesign und -betrieb. Der MAX22000 von Analog Devices ist ein gutes Beispiel dafür. Er bietet einen vielseitigen Ansatz für die analoge Signalverarbeitung, der bei Bedarf für verschiedene Anwendungen neu konfiguriert werden kann.