隨著工業(yè)應(yīng)用中對檢測的需求不斷增長，業(yè)界需要一個能夠適應(yīng)多樣化終點(diǎn)設(shè)備和連接要求的有效 IO 控制器平臺。 雖然開發(fā)人員可以通過 IO 機(jī)架滿足這些要求，但有一種更有效的方法可以最大限度減少功率耗散、基底面以及成本。

本文將討論工業(yè)傳感和控制的要求，以及目前為止的處理方法。 接著會介紹 Maxim Integrated Pocket IO 開發(fā)平臺，并說明其如何滿足工業(yè) 檢測和高 IO 計數(shù)應(yīng)用中開發(fā)人員的需求。 之后，文中會展示實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

靈活性和效率推動工業(yè) IO

過去，由于在早期工廠應(yīng)用中部署的傳感器相對較少，工程師可以依靠與可編程邏輯控制器 （PLC） 的硬接線連接。 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口（如 IO-Link）的出現(xiàn)提供了一種更有效的連接選項(xiàng)，能夠在單個連接上鏈接多個傳感器和外圍設(shè)備。 同時，對更靈活的接口選擇的需求繼續(xù)推動對更廣范圍的模擬和數(shù)字 IO 能力的需求。

在這種環(huán)境下，工程師會發(fā)現(xiàn)自己面臨包括現(xiàn)場總線通信和電機(jī)控制以及支持更多專用模擬和數(shù)字 IO 設(shè)備的組合需求。 同時，工程師需要將這種更強(qiáng)大的功能嵌入更緊湊、低功耗、能夠在散熱風(fēng)扇和通風(fēng)口易出問題的工廠車間操作的設(shè)計中。 Maxim Integrated 的 Pocket IO 旨在幫助工程師快速滿足這些要求。

多外設(shè)控制器平臺

Maxim 的 Pocket IO 既可用作開發(fā)平臺，又可用作參考設(shè)計（圖 1）。 特別值得一提的是，參考設(shè)計展現(xiàn)了如何使用高度集成的 IC 來支持多樣化 IO，包括：

四個模擬輸入，具有高度集成的 MAX11254 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）

一個模擬輸出，使用 MAX5216 16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）

八個數(shù)字輸入，基于八路開關(guān)/驅(qū)動器 MAX31913

八個數(shù)字輸出，基于八路數(shù)字輸入設(shè)備 MAX14913

兩個支持 Profibus 的 RS-485 接口，使用半雙工 RS-485/422 收發(fā)器 MAX14783E

四個 IO-Link 主通道，每個基于一個單獨(dú)的 MAX14824 IO-Link 主收發(fā)器 IC

三個電機(jī)編碼器/控制通道，每個由一個 MAX14890 編碼器接收器 IC 和一個 MAX14870 電機(jī)驅(qū)動器 IC 組成

圖 1： Maxim Integrated Pocket IO 平臺利用 Maxim IO 設(shè)備的高集成度來提供廣泛的 IO 功能。 （圖片： Maxim Integrated）

Pocket IO 平臺提供隔離式低噪聲 15 V 和 3.6 V 電源軌，以及一個用于 DAC 的 3.0 V 基準(zhǔn)電壓源和一個用于 ADC 的 1.5 V 基準(zhǔn)電壓源。 該設(shè)計還包括一套復(fù)雜的處理器，包括 Intel Edison 和一對 STMicroelectronics STM32 MCU。 一個 Intel Edison 模塊托管控制軟件，對全都支持 SPI 接口的 Pocket IO 設(shè)備進(jìn)行全面控制。 專用的 STM32F103RET6 MCU 執(zhí)行電機(jī)控制程序，并控制 MAX14890 編碼器和 MAX14870 電機(jī)驅(qū)動器 IC。 另一個專用 STM32F103RET6 MCU 運(yùn)行 IO-Link 堆棧并管理主收發(fā)器設(shè)備。 一系列數(shù)字隔離器保護(hù)處理器 IO 通道。

體積小于 10 立方英寸的 Pocket IO（因其可裝入襯衫口袋而命名）使用電池即可運(yùn)行且無需風(fēng)扇，同時可在其許多外圍通道上提供高吞吐量。 這些 IC 封裝在兩個小型板（命名為 MAXREFDES150MAIN＃ 和 MAXREFDES150LED＃）上，然后封裝在 Pocket IO 機(jī)箱中。

Intel Edison 模塊和大多數(shù)組件安裝在 MAXREFDES150MAIN＃ 板上。 MAXREFDES150LED# 板包含直流電機(jī)驅(qū)動器電路及其對 STM32F103RET6 MCU 的控制功能；IO-Link 電路及其對 STM32F103RET6 MCU 的控制功能。 第三塊板提供外部連接器，并通過兩個 40 引腳電纜組件連接到 Pocket IO 機(jī)箱中的電路板。 工廠應(yīng)用軟件可通過 Pocket IO 的 USB 接口或通過 Intel Edison 模塊的藍(lán)牙或 Wi-Fi 連接選項(xiàng)進(jìn)行連接。

工程師使用 Arduino IDE，通過隨 Pocket IO 軟件包提供的綜合庫和例程，創(chuàng)建在 Intel Edison 上運(yùn)行的軟件來進(jìn)行開發(fā)。 Maxim Integrated 提供了每個 IO 子系統(tǒng)的詳細(xì)原理圖，以及用于開發(fā)相關(guān)軟件例程的應(yīng)用編程接口 （API）。

參考設(shè)計

Pocket IO 中使用的數(shù)字 IO 設(shè)備（例如 MAX31913 和 MAX14913）在與主機(jī) Edison 處理器的 SPI 連接之外幾乎不需要額外的電路。 相比之下，模擬 IO 設(shè)備需要補(bǔ)充電路來緩沖或以其他方式提供額外的信號調(diào)節(jié)。

例如，DAC 輸出功能的參考設(shè)計原理圖使用 Maxim Integrated MAX9632 運(yùn)算放大器來緩沖 MAX5216 的輸出（圖 2）。

圖 2： Pocket IO 參考設(shè)計原理圖演示了如何在輸入通道上使用信號調(diào)節(jié)電路，以及在此處所示的數(shù)模轉(zhuǎn)換通道等輸出上使用緩沖器。 （圖片： Maxim Integrated）

參考設(shè)計在基于 MAX11254 的 Pocket IO 模擬輸入功能的電路方面更進(jìn)一步。 對于該子系統(tǒng)，原理圖包括詳細(xì)的信號調(diào)節(jié)電路，以支持 Pocket IO 的單獨(dú)電壓和電流輸入通道。

MAX11254 集成了完整的信號處理路徑，包括可編程增益放大器 （PGA）、模擬濾波器、24 位三角積分 ADC 和數(shù)字濾波器。 此外，模擬多路復(fù)用器支持設(shè)備的六個差分輸入通道，而數(shù)字定序器可自動執(zhí)行模擬通道掃描和傳感器監(jiān)視等功能。 設(shè)備甚至包含 GPIO，可用作電阻型傳感器中所需的傳感器激勵源。 該器件的 SPI 串行接口簡化了主機(jī)處理器（在本例中為 Pocket IO 的 Edison 處理器）的連接和控制。

對于開發(fā)人員來說，高度集成的 MAX11254 設(shè)備幾乎不需要額外的組件來實(shí)現(xiàn)完整的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 通常，工程師至少會采用緩沖電路，或提供應(yīng)用所保證的更多信號調(diào)節(jié)電路。 在 Pocket IO 參考設(shè)計中，它為兩個電壓輸入和兩個電流輸入通道提供單獨(dú)的調(diào)節(jié)電路。 每個調(diào)節(jié)電路包括一對用于信號緩沖和增益調(diào)節(jié)的運(yùn)算放大器。 電流輸入通道還通過一對 MOSFET 和瞬態(tài)電壓抑制二極管來預(yù)調(diào)節(jié)其輸入，以保護(hù)運(yùn)算放大器。

使用低級 SPI 命令開發(fā)復(fù)雜 IO 事務(wù)的代碼即便在最好的情況下都很慢，并且容易出錯。 因此，Maxim 針對每個 IO 設(shè)備（包括 MAX11254 ADC）為開發(fā)人員提供了一個 C ++ 類別，并提供了操作（例如模數(shù)轉(zhuǎn)換）中所涉及復(fù)雜序列的簡單抽象概念。 至于轉(zhuǎn)換模擬輸入，開發(fā)人員只需將類別的一個實(shí)例進(jìn)行實(shí)例化

adc = new Max11254（）;

然后使用類別方法重置設(shè)備，執(zhí)行自校準(zhǔn)序列，并捕獲數(shù)據(jù)：

adc-》reset（）;

adc-》selfCal（）;

adc-》singleConvert（channel， rate）;

另一個 Pocket IO C ++ 庫 PioAi 甚至?xí)[藏這些細(xì)節(jié)，將模擬數(shù)據(jù)采樣簡化為 PioAi.readcode（） 的單一調(diào)用。 PioAi 庫例程會轉(zhuǎn)而使用 PioSpi 庫中提供的 PioSpi 類別，該類別將 IO 事務(wù)轉(zhuǎn)換為一系列相應(yīng)的 SPI 命令序列。

除了特定的設(shè)備支持庫，Maxim 還提供示例代碼，說明 IO 操作（如電機(jī)控制）的基本設(shè)計模式（列表 1）。

#include

PioMtr pioMtr;

uint8_t motor = M1;

void setup（） {

// put your setup code here， to run once：

pioMtr.writeEnable（motor， 1）;

pioMtr.writeDirection（motor， COUNTERCLOCKWISE）;//

}

uint8_t spd = 0;

bool shouldDecrease = false;

void loop（） {

// put your main code here， to run repeatedly：

if（spd == 255）

{

shouldDecrease = true;

}

else if（spd == 0）

{

shouldDecrease = false;

}

if（shouldDecrease）

{

spd--;

}

else{ spd++; }

pioMtr.writeSpeed（motor， spd）;

delay（50）;

}

代碼列表 1： Pocket IO 軟件包內(nèi)含示例代碼，如演示基本電機(jī)控制操作的此片段。 （代碼來源： Maxim Integrated）

根據(jù)代碼： 設(shè)置后，無限循環(huán)使電機(jī)速度在最小值和最大值之間連續(xù)上升。 片段中引用的 PioMtr 庫包含 writeSpeed（） 例程，后者又使用低級 Arduino 例程來操作相應(yīng)的硬件寄存器。

開發(fā)人員可以通過使用 Arduino IDE 編寫用于 Intel Edison 的 Arduino 草圖，以及每個 Pocket IO 外圍設(shè)備的 API 中包含的類庫，將這些代碼片段擴(kuò)展到完善的應(yīng)用程序中。 Maxim Integrated 為 Edison 工具鏈和 Intel Edison 工具提供軟件包，以及 Pocket IO 庫套件。

結(jié)論

工業(yè)自動化依賴于日益普及的傳感器所取得的詳細(xì)測量值，傳感器會監(jiān)測和控制每個生產(chǎn)步驟的細(xì)節(jié)。 在適應(yīng)更多種類型的輸入和輸出設(shè)備的同時，開發(fā)人員需要使用能夠適應(yīng)嚴(yán)苛工廠車間環(huán)境的緊湊、低功耗且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

Maxim Integrated Pocket IO 平臺具備完整的硬件/軟件參考設(shè)計，可加速新興工業(yè)自動化應(yīng)用專用控制器的開發(fā)，從而滿足這些需求。