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软件可配置模拟 I/O 的设计理念
曾几何时，模拟 I/O 就是最专业、功能最固定的硬件。例如，电流驱动器和电压传感器是完全不同的零件，试图颠倒其角色可谓是荒谬至极。
软件可配置模拟 I/O 将这种荒谬变成了现实。如今，单一模拟集成电路 (IC) 就能实现多种角色。例如，Analog Devices 的 MAX22000 工业 I/O 设备提供六个模拟输入和一个模拟输出，所有输入和输出均可配置为电压或电流模式。
这些 IC 的灵活性使之成为多功能系统的理想之选，因为硬件可以随时重新配置，方便处理各种输入和输出类型。更为甚者，可配置的 I/O 通常可以通过软件进行微调，从而提高准确度和精确度。
案例研究：便携式多功能校准器
展示这些优点前，我们先考虑一下校准系统的要求。许多工业模拟 I/O 模块需要定期校准，才能确保正常运行。通常情况下，校准需要使用一系列仪器，运输和操作都很麻烦。用多功能设备取代这些仪器后，技术人员可以提高工作效率，同时提高了工作精度。
例如，图 1 所示的校准器设计可用于打造一个可替代多种仪器的便携式多功能系统。此外，这种电池供电的设计还能实现与笨重的台式校准器相媲美的性能。
图 1：可围绕 MAX22000 I/O 设备构建的便携式多功能校准器。（图片来源：Analog Devices）
该设计的核心是 MAX22000。除了支持电压和电流检测外，其输入还可配置为热电偶模式或电阻温度检测器 (RTD) 模式。这使得该芯片非常适合校准温度变送器或信号调节器，因为它可以将其电压或电流输出与热电偶或 RTD 的温度读数进行比较。
该设计的一个显著特点是集成了温度补偿。具体来说，它包含两个 MAX31875，这是一个 0.84 × 0.84 × 0.35 毫米 (mm) 的微型温度传感器。如图 1 所示，其中一个 IC 可以放置在 MAX22000 附近，另一个靠近源端子，从而实现对两端之间电压梯度的温度补偿。
围绕软件可配置模拟 I/O 设计嵌入式系统
如果您正在考虑以 MAX22000 为基础设计这样一个系统，有几个设计注意事项需要注意。我建议首先使用 MAX22000EVKIT# 评估套件（图 2）试验一下，以缩短 IC 配置学习时间。
图 2：MAX22000EVKIT# 评估套件包含用于配置 MAX22000 I/O 器件的软件。（图片来源：Analog Devices）
您需要一种更强大的方法来配置器件，以便实现生产就绪型设计。便携式校准器设计就展示了这样一种方法。MAX22000 通过串行外设接口 (SPI) 连接到 MAX32625——一个 Arm Cortex-M4F 单片机。该单片机通过其通用异步接收器/发送器 (UART) 端口连接到板载 FTDI FT234XD-R USB 桥接器。
许多设计还需要显示器和用户控制装置。就便携式校准器而言，像 Seeed Technology Co., Ltd. 的 Nextion NX4827T043 - GE 这样的小型、低分辨率触摸屏就能有效实现这两个目的。这款 4.3 英寸(109.22 mm) 电阻式显示屏的分辨率为 480 x 272，对于基本用户界面来说绰绰有余。
如果您是嵌入式系统新手，建议您从 MAX32625MBED 这样的评估板开始。它基于 MAX32625 单片机，为应用开发和调试提供了一个完整的系统。它还通过 Arduino 兼容连接器提供了连接如 USB 端口和显示器之类 I/O 外设的便捷方法。
电池供电型系统电源管理
您需要为像便携式校准器这样的电池供电型系统加入电压转换和电池监控功能。在本文示例设计中，电压转换由反激式转换器 MAX17498 负责，它将 5 伏 USB 输入电压提升至电池组所需的 7.2 伏。同时，MAX17320X20-T 电量计管理电池状态，包括电压、电流和温度。
与本博客讨论的其他元件一样，这些 IC 也有评估套件。具体来说，您可以使用 MAX17498BEVKIT 测测这个反激式转换器，使用 MAX17320X2EVKIT 试试电量计。您还可以使用 MAX31875EVKIT 试用一下微型 MAX31875 温度传感器。
结语
在快速发展的工业电子领域，软件可配置模拟 I/O 器件的开发为系统设计和运行带来了前所未有的多功能性和效率。Analog Devices 的 MAX22000 就是一个很好的实例，它提供了一个多面的模拟信号处理方法，可按需重新配置，以适应各种应用。
关于此作者
Kenton Williston 于 2000 年获得电气工程学士学位，并开始了他的职业生涯，担任处理器基准分析师。此后，他在 EE Times 集团担任编辑，并帮助创办和主导了多个服务于电子行业的出版物和多场会议。
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