소프트웨어로 구성 가능한 아날로그 I/O에 대한 설계 아이디어

아날로그 I/O가 가장 전문적인 고정 기능 하드웨어 중 하나였던 때가 있었습니다. 예를 들어, 전류 구동기와 전압 센서는 전혀 다른 부품이고, 해당 역할을 바꾸려고 시도하는 것은 터무니없는 일이었을 것입니다.

소프트웨어로 구성 가능한 아날로그 I/O는 이러한 터무니없는 일을 실제 현실로 변화시켰습니다. 오늘날 단일 아날로그 IC(집적 회로)는 여러 역할을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, Analog Devices의 MAX22000 산업용 I/O 장치는 6개의 아날로그 입력과 1개의 아날로그 출력을 제공하며 모두 전압 또는 전류 모드로 구성 가능합니다.

하드웨어를 즉시 재구성하여 다양한 입력 및 출력 유형을 처리할 수 있으므로 이러한 IC의 유연성은 다기능 시스템에 이상적입니다. 더 좋은 점은 구성 가능한 I/O를 소프트웨어를 통해 미세 조정할 수 있어 정확도와 정밀도가 향상되는 경우가 많다는 것입니다.

사례 연구: 휴대용 다기능 교정기

이러한 이점을 설명하기 위해 교정 시스템의 요구 사항을 고려해 보겠습니다. 많은 산업용 아날로그 I/O 모듈은 올바른 작동을 보장하기 위해 주기적인 교정이 필요합니다. 일반적으로, 이러한 교정에는 이동 및 작동이 번거로울 수 있는 여러 계측기들이 사용됩니다. 이러한 계측기를 다기능 장치로 대체함으로써 기술 전문가들은 작업 정밀도는 물론 생산성도 향상시킬 수 있습니다.

예를 들어, 그림 1에 표시된 교정기 설계는 여러 계측기를 대체할 수 있는 휴대용 다기능 시스템을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 게다가 이 배터리 구동식 설계는 방대한 규모의 데스크톱 교정기에 달하는 성능을 제공할 수 있습니다.

그림 1: 휴대용 다기능 교정기는 MAX22000 I/O 장치를 기반으로 하여 구축할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 설계의 핵심은 MAX22000입니다. 전압 및 전류를 모두 감지할 수 있을 뿐만 아니라 열전대 모드 또는 RTD(저항 온도 감지기) 모드에 대해 입력을 구성할 수 있습니다. 따라서 이 칩은 해당 전압 및 전류 출력값을 열전대 또는 RTD의 온도 판독값과 비교할 수 있으므로 온도 송신기 또는 신호 조정기를 교정하는 데 이상적입니다.

이 설계의 주목할 만한 특징은 온도 보상 기능이 통합되어 있다는 것입니다. 구체적으로, 이 칩은 작은 0.84mm × 0.84mm × 0.35mm 크기의 온도 센서인 MAX31875의 2개 인스턴스를 포함합니다, 그림 1에 표시된 대로, 이러한 IC 중 하나를 MAX22000에 가까이 배치하고, 나머지 IC는 소스 단자 가까이 배치하여 단자 간 전압 변화의 온도 보상을 수행할 수 있습니다.

소프트웨어로 구성 가능한 아날로그 I/O에 기반하여 내장형 시스템 설계

MAX22000을 기반으로 이러한 시스템을 구축하려는 경우 몇 가지 설계 고려 사항을 주목할 필요가 있습니다. 저는 IC 구성 학습 곡선을 단축하기 위해 먼저 MAX22000EVKIT# 평가 키트(그림 2)를 실험할 것을 권장합니다.

그림 2 : MAX22000EVKIT# 평가 키트에는 MAX22000 I/O 장치를 구성할 수 있는 소프트웨어가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

바로 생산에 적용할 수 있는 설계를 위해 장치를 구성하는 보다 강력한 방법이 필요할 수 있습니다. 휴대용 교정기 설계는 이를 수행할 수 있는 한 가지 방법을 보여줍니다. MAX22000은 SPI(직렬 주변 장치 인터페이스)를 통해 Arm Cortex-M4F 마이크로 컨트롤러 MAX32625에 연결됩니다. 마이크로 컨트롤러는 해당 UART(범용 비동기 수신기/송신기) 포트를 통해 온보드 FTDI FT234XD-R USB 브리지에 연결됩니다.

많은 설계에서 디스플레이 및 사용자 제어도 필요로 합니다. 휴대용 교정기의 경우 Nextion NX4827T043 - GE(Seeed Technology Co., Ltd.)와 같은 소형 저해상도 터치 스크린을 두 가지 목적으로 효과적으로 사용할 수 있습니다. 이 4.3in(109.22mm) 저항 디스플레이는 기본 사용자 인터페이스에 충분한 480 x 272 해상도를 제공합니다.

내장형 시스템을 처음 접하는 경우 MAX32625MBED 같은 평가 기판으로 시작하기를 권장합니다. 이는 MAX32625 마이크로 컨트롤러를 기반으로 응용 제품 개발 및 디버깅을 위한 완전한 시스템을 제공합니다. 또한 Arduino호환 커넥터를 통해 USB 포트 및 디스플레이 같은 I/O 주변 장치를 연결하는 손쉬운 방법을 제공합니다.

배터리 구동식 시스템을 위한 전력 관리

휴대용 교정기 같은 배터리 구동식 시스템의 경우 전압 변환 및 배터리 모니터링을 통합해야 합니다. 예제 설계에서, 5V USB 입력을 배터리 팩에서 요구되는 7.2V로 부스트하는 플라이백 컨버터인 MAX17498를 통해 전압 변환이 처리됩니다. 한편, MAX17320X20-T 연료 게이지는 전압, 전류, 온도를 비롯하여 배터리 상태를 관리합니다.

본 블로그에서 설명한 다른 부품과 마찬가지로, 이 IC에도 평가 키트가 있습니다. 특히, MAX17498BEVKIT로 플라이백 컨버터를 시험해 보고 MAX17320X2EVKIT로 연료 게이지를 테스트할 수 있습니다. MAX31875EVKIT를 사용하여 소형 MAX31875 온도 센서를 시도해 볼 수도 있습니다.

결론

산업용 전자 부품이 급속도로 진화하는 상황에서, 소프트웨어로 구성 가능한 아날로그 I/O 장치의 개발은 시스템 설계 및 작동에 대해 전례 없는 다목적성과 효율성을 제공합니다. Analog Devices의 MAX22000은 이에 대한 좋은 예로, 아날로그 신호 처리에 대한 다면적 접근 방식을 제공하며 이는 요구에 따라 다양한 응용 제품에 맞게 재구성할 수 있습니다.