隨著工業應用中對檢測的需求不斷增長，業界需要一個能夠適應多樣化終點設備和連接要求的有效 IO 控制器平臺。 雖然開發人員可以通過 IO 機架滿足這些要求，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 開發平臺，并說明其如何滿足工業 檢測和高 IO 計數應用中開發人員的需求。 之后，文中會展示實現技術。

靈活性和效率推動工業 IO

過去，由于在早期工廠應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。 行業標準接口（如 IO-Link）的出現提供了一種更有效的連接選項，能夠在單個連接上鏈接多個傳感器和外圍設備。 同時，對更靈活的接口選擇的需求繼續推動對更廣范圍的模擬和數字 IO 能力的需求。

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

多外設控制器平臺

Maxim 的 Pocket IO 既可用作開發平臺，又可用作參考設計（圖 1）。 特別值得一提的是，參考設計展現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 位模數轉換器 (ADC)

• 一個模擬輸出，使用 MAX5216 16 位數模轉換器 (DAC)

• 八個數字輸入，基于八路開關/驅動器 MAX31913

• 八個數字輸出，基于八路數字輸入設備 MAX14913

• 兩個支持 Profibus 的 RS-485 接口，使用半雙工 RS-485/422 收發器 MAX14783E

• 四個 IO-Link 主通道，每個基于一個單獨的 MAX14824 IO-Link 主收發器 IC

• 三個電機編碼器/控制通道，每個由一個 MAX14890 編碼器接收器 IC 和一個 MAX14870 電機驅動器 IC 組成

圖 1： Maxim Integrated Pocket IO 平臺利用 Maxim IO 設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 基準電壓源和一個用于 ADC 的 1.5 V 基準電壓源。 該設計還包括一套復雜的處理器，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 設備進行全面控制。 專用的 STM32F103RET6 MCU 執行電機控制程序，并控制 MAX14890 編碼器和 MAX14870 電機驅動器 IC。 另一個專用 STM32F103RET6 MCU 運行 IO-Link 堆棧并管理主收發器設備。 一系列數字隔離器保護處理器 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）使用電池即可運行且無需風扇，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 機箱中。

Intel Edison 模塊和大多數組件安裝在 MAXREFDES150MAIN＃ 板上。 MAXREFDES150LED# 板包含直流電機驅動器電路及其對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 機箱中的電路板。 工廠應用軟件可通過 Pocket IO 的 USB 接口或通過 Intel Edison 模塊的藍牙或 Wi-Fi 連接選項進行連接。

工程師使用 Arduino IDE，通過隨 Pocket IO 軟件包提供的綜合庫和例程，創建在 Intel Edison 上運行的軟件來進行開發。 Maxim Integrated 提供了每個 IO 子系統的詳細原理圖，以及用于開發相關軟件例程的應用編程接口 (API)。

參考設計

Pocket IO 中使用的數字 IO 設備（例如 MAX31913 和 MAX14913）在與主機 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 設備需要補充電路來緩沖或以其他方式提供額外的信號調節。

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

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

參考設計在基于 MAX11254 的 Pocket IO 模擬輸入功能的電路方面更進一步。 對于該子系統，原理圖包括詳細的信號調節電路，以支持 Pocket IO 的單獨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 和數字濾波器。 此外，模擬多路復用器支持設備的六個差分輸入通道，而數字定序器可自動執行模擬通道掃描和傳感器監視等功能。 設備甚至包含 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。

對于開發人員來說，高度集成的 MAX11254 設備幾乎不需要額外的組件來實現完整的傳感器數據采集系統。 通常，工程師至少會采用緩沖電路，或提供應用所保證的更多信號調節電路。 在 Pocket IO 參考設計中，它為兩個電壓輸入和兩個電流輸入通道提供單獨的調節電路。 每個調節電路包括一對用于信號緩沖和增益調節的運算放大器。 電流輸入通道還通過一對 MOSFET 和瞬態電壓抑制二極管來預調節其輸入，以保護運算放大器。

使用低級 SPI 命令開發復雜 IO 事務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 設備（包括 MAX11254 ADC）為開發人員提供了一個 C ++ 類別，并提供了操作（例如模數轉換）中所涉及復雜序列的簡單抽象概念。 至于轉換模擬輸入，開發人員只需將類別的一個實例進行實例化

adc = new Max11254();

然后使用類別方法重置設備，執行自校準序列，并捕獲數據：

adc->reset();

adc->selfCal();

adc->singleConvert(channel, rate);

另一個 Pocket IO C ++ 庫 PioAi 甚至會隱藏這些細節，將模擬數據采樣簡化為 PioAi.readcode() 的單一調用。 PioAi 庫例程會轉而使用 PioSpi 庫中提供的 PioSpi 類別，該類別將 IO 事務轉換為一系列相應的 SPI 命令序列。

除了特定的設備支持庫，Maxim 還提供示例代碼，說明 IO 操作（如電機控制）的基本設計模式（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 軟件包內含示例代碼，如演示基本電機控制操作的此片段。 （代碼來源： Maxim Integrated）

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

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

結論

工業自動化依賴于日益普及的傳感器所取得的詳細測量值，傳感器會監測和控制每個生產步驟的細節。 在適應更多種類型的輸入和輸出設備的同時，開發人員需要使用能夠適應嚴苛工廠車間環境的緊湊、低功耗且經濟高效的解決方案。

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