Idee di progettazione per I/O analogico configurabile tramite software

Un tempo l'I/O analogico era uno degli hardware più specializzati a funzione fissa. Ad esempio, un circuito di pilotaggio della corrente e un sensore della tensione erano componenti completamente diversi e cercare di invertire i loro ruoli sarebbe stato assurdo.

L'I/O analogico configurabile tramite software ha trasformato questa assurdità in una realtà pratica. Oggi, un singolo CI analogico può avere molti ruoli. Ad esempio, il dispositivo I/O industriale MAX22000 di Analog Devices offre sei ingressi analogici e un'uscita analogica, tutti configurabili per la modalità di tensione o di corrente.

La flessibilità di questi CI li rende ideali per i sistemi multifunzione, in quanto l'hardware può essere riconfigurato al volo per gestire vari tipi di ingresso e di uscita. Meglio ancora, gli I/O configurabili spesso possono essere perfezionati tramite software, migliorando l'accuratezza e la precisione.

Case study: calibratore multifunzione portatile

Per illustrare questi vantaggi, prendiamo in considerazione i requisiti dei sistemi di calibrazione. Per garantire il funzionamento corretto, molti moduli I/O analogici industriali richiedono una calibrazione periodica. In genere, per la calibrazione sono necessari diversi strumenti, che possono essere ingombranti da trasportare e utilizzare. Sostituendo questi strumenti con un dispositivo multifunzione, i tecnici possono essere più produttivi e migliorare la precisione del loro lavoro.

Ad esempio, il progetto del calibratore illustrato nella Figura 1 può essere utilizzato per creare un sistema multifunzione portatile che può sostituire più strumenti. Inoltre, questo progetto alimentato a batteria può raggiungere prestazioni paragonabili a quelle di ingombranti calibratori da banco.

Figura 1: È possibile costruire un calibratore multifunzione portatile partendo dal dispositivo di I/O MAX22000. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il cuore del progetto è MAX22000. Oltre a supportare il rilevamento di tensione e corrente, gli ingressi possono essere configurati per la modalità termocoppia o per la modalità termoresistenza (RTD). Questo rende il chip ideale per la calibrazione di trasmettitori di temperatura o condizionatori del segnale, in quanto può confrontare le loro uscite di tensione o corrente con le letture della temperatura di una termocoppia o RTD.

Una caratteristica degna di nota di questo progetto è che incorpora la compensazione della temperatura. Nello specifico, include due esempi di MAX31875, un minuscolo sensore di temperatura di 0,84 × 0,84 × 0,35 mm. Come mostrato nella Figura 1, uno di questi CI può essere posizionato accanto a MAX22000 e l'altro vicino ai terminali della sorgente, consentendo la compensazione della temperatura del gradiente di tensione tra i terminali.

Progettazione di un sistema embedded con I/O analogici configurabili tramite software

Se state pensando di basare un sistema come questo su MAX22000, è opportuno fare alcune considerazioni. Come prima cosa, consiglio di fare delle prove con il kit di valutazione MAX22000EVKIT# (Figura 2) per ridurre la curva di apprendimento della configurazione del CI.

Figura 2: Il kit di valutazione MAX22000EVKIT# include il software per configurare il dispositivo di I/O MAX22000. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per configurare il dispositivo per un progetto pronto per la produzione serve un mezzo più robusto. Il progetto del calibratore portatile mostra come fare. MAX22000 si collega a MAX32625, un microcontroller ARM Cortex-M4F, tramite un'interfaccia periferica seriale (SPI). Il microcontroller si collega a un ponte USB su scheda FTDI FT234XD-R tramite la porta UART (ricetrasmettitore asincrono universale).

Molti progetti richiederanno anche un display e controlli da parte dell'utente. Nel caso di un calibratore portatile, un touchscreen di piccole dimensioni e a bassa risoluzione come Nextion NX4827T043 - GE di Seeed Technology Co., Ltd. assolve efficacemente a entrambi gli scopi. Questo display resistivo di 4,3 pollici ha una risoluzione di 480 x 272, più che sufficiente per un'interfaccia utente di base.

Se siete alle prime armi con i sistemi embedded, vi consiglio di iniziare con una scheda di valutazione, come MAX32625MBED. Basata sul microcontroller MAX32625, è un sistema completo per lo sviluppo e il debug delle applicazioni. È anche un mezzo pratico per collegare periferiche di I/O come porte USB e display tramite connettori compatibili con Arduino.

Gestione del consumo energetico per sistemi alimentati a batteria

Per sistemi alimentati a batteria come il calibratore portatile è necessario incorporare la conversione della tensione e il monitoraggio della batteria. Nel progetto di esempio, la conversione della tensione è gestita da MAX17498, un convertitore flyback che incrementa l'ingresso USB da 5 V ai 7,2 V richiesti dal gruppo di batterie. Nel frattempo, un indicatore di carica MAX17320X20-T gestisce gli stati della batteria, comprese tensione, corrente e temperatura.

Come gli altri componenti presi in esame in questo blog, anche questi CI dispongono di kit di valutazione. In particolare, è possibile provare il convertitore flyback con MAX17498BEVKIT e testare l'indicatore di carica con MAX17320X2EVKIT. È anche possibile utilizzare MAX31875EVKIT per provare il piccolo sensore di temperatura MAX31875.

Conclusione

Nel panorama in rapida evoluzione dell'elettronica industriale, lo sviluppo di dispositivi di I/O analogici configurabili tramite software assicura una versatilità e un'efficienza senza precedenti per la progettazione e il funzionamento dei sistemi. MAX22000 di Analog Devices ne è un buon esempio: offre un approccio poliedrico all'elaborazione dei segnali analogici che possono essere riconfigurati a richiesta per adattarsi a varie applicazioni.