Ideas de diseño para E/S analógicas configurables por software

Durante un tiempo, las E/S analógicas fueron uno de los hardware de funciones fijas más especializados que existieron. Por ejemplo, un controlador de corriente y un sensor de voltaje eran partes completamente diferentes, y tratar de invertir sus roles habría sido absurdo.

Las E/S analógicas configurables por software han convertido ese absurdo en una realidad práctica. Hoy en día, un único CI (circuito integrado) analógico puede cumplir muchas funciones. Por ejemplo, el dispositivo de E/S industrial MAX22000 de Analog Devices ofrece seis entradas analógicas y una salida analógica, todas configurables para modo de voltaje o corriente.

La flexibilidad de estos CI los hace ideales para sistemas multifunción, ya que el hardware se puede reconfigurar sobre la marcha para manejar varios tipos de entrada y salida. Aún mejor, las E/S configurables a menudo se pueden ajustar mediante software, lo que mejora la exactitud y la precisión.

Estudio de caso: calibrador multifunción portátil

Para ilustrar estos beneficios, considere los requisitos de los sistemas de calibración. Muchos módulos de E/S analógicas industriales requieren una calibración periódica para garantizar un funcionamiento adecuado. Normalmente, esta calibración implica una colección de instrumentos que pueden resultar complicados de transportar y operar. Mediante el reemplazo de estos instrumentos por un dispositivo multifunción, los técnicos pueden ser más productivos y al mismo tiempo mejorar la precisión de su trabajo.

Por ejemplo, es posible utilizar el diseño del calibrador que se muestra en la Figura 1 para crear un sistema multifunción portátil que puede reemplazar múltiples instrumentos. Además, este diseño que funciona a batería puede lograr un rendimiento comparable al de los voluminosos calibradores de escritorio.

Figura 1: Se puede integrar un calibrador multifunción portátil alrededor del dispositivo de E/S MAX22000. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El corazón del diseño es el MAX22000. Además de admitir la detección de voltaje y corriente, sus entradas se pueden configurar para modo termopar o modo RTD (detector de temperatura de resistencia). Esto hace que el chip sea ideal para calibrar transmisores de temperatura o acondicionadores de señal, ya que puede comparar sus salidas de voltaje o corriente con las lecturas de temperatura de un termopar o RTD.

Una característica destacable de este diseño es la incorporación de compensación de temperatura. En concreto, incluye dos casos del MAX31875, un pequeño sensor de temperatura de 0.84 × 0.84 × 0.35 mm (milímetros). Como se muestra en la Figura 1, uno de estos CI se puede colocar junto al MAX22000 y el otro cerca de los terminales de fuente, lo que permite la compensación de temperatura del gradiente de voltaje entre los terminales.

Diseño de un sistema integrado alrededor de E/S analógicas configurables por software

Si está considerando basar un sistema como este en el MAX22000, vale la pena tener en cuenta varias consideraciones de diseño. Recomiendo primero experimentar con el kit de evaluación MAX22000EVKIT# (Figura 2) para acortar la curva de aprendizaje de la configuración de CI.

Figura 2: El kit de evaluación MAX22000EVKIT# incluye software para configurar el dispositivo de E/S MAX22000. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Necesitará un medio más sólido para configurar el dispositivo para un diseño listo para producción. El diseño del calibrador portátil muestra una forma de lograrlo. El MAX22000 se conecta al MAX32625, un microcontrolador Arm Cortex-M4F, mediante una SPI (interfaz periférica serial). El microcontrolador se conecta a un puente USB FTDI FT234XD-R integrado a través de su puerto UART (transmisor receptor asíncrono universal).

Muchos diseños también requerirán una pantalla y controles de usuario. En el caso de un calibrador portátil, una pequeña pantalla táctil de baja resolución como la Nextion NX4827T043 - GE de Seeed Technology Co., Ltd. cumple ambos propósitos de manera efectiva. Esta pantalla resistiva de 4.3 in (pulgadas) (109.22 mm) ofrece una resolución de 480 x 272, que es más que suficiente para una interfaz de usuario básica.

Si es nuevo en los sistemas integrados, le recomiendo comenzar con una placa de evaluación como la MAX32625MBED. Basada en el microcontrolador MAX32625, proporciona un sistema completo para desarrollar y depurar aplicaciones. También proporciona un medio práctico para conectar periféricos de E/S como puertos USB y pantallas a través de conectores compatibles de Arduino.

Gestión de energía para sistemas alimentados por baterías

Deberá incorporar conversión de voltaje y monitoreo de batería para sistemas que funcionan a batería como el calibrador portátil. En el diseño de ejemplo, la conversión de voltaje está manejada por el MAX17498, un convertidor flyback que aumenta la entrada USB de 5 voltios a los 7.2 voltios requeridos por la batería. Mientras tanto, un indicador de combustible MAX17320X20-T gestiona los estados de la batería, incluidos el voltaje, la corriente y la temperatura.

Al igual que con los demás componentes analizados en este blog, estos CI tienen kits de evaluación. Específicamente, puede probar el convertidor flyback con el MAX17498BEVKIT y el indicador de combustible con el MAX17320X2EVKIT. También puede utilizar el MAX31875EVKIT para probar el pequeño sensor de temperatura MAX31875.

Conclusión

En el panorama en rápida evolución de la electrónica industrial, el desarrollo de dispositivos de E/S analógicos configurables por software permite una versatilidad y eficiencia sin precedentes en el diseño y funcionamiento del sistema. El MAX22000 de Analog Devices es un buen ejemplo: ofrece un enfoque multifacético para el procesamiento de señales analógicas que se puede reconfigurar según demanda para adaptarse a diversas aplicaciones.