ソフトウェアによる構成が可能なアナログI/Oの設計アイデア

アナログI/Oが最も特殊な固定機能ハードウェアだった時代がありました。たとえば、電流ドライバと電圧センサはまったく別の部品であり、その役割を逆にしようとするのは無茶なことでした。

ソフトウェアによる構成が可能なアナログI/Oは、その不条理を現実的なものに変えました。今日、1つのアナログ集積回路（IC）で多くの役割を果たすことができます。たとえば、 Analog Devices の MAX22000 産業用I/Oデバイスは、6つのアナログ入力と1つのアナログ出力を備えており、すべてを電圧または電流モードに設定することが可能です。

これらのICの柔軟性は、さまざまな入出力タイプに対応するためにハードウェアをその場で再構成できるため、多機能システムに適しています。さらに良いことに、設定可能なI/Oはソフトウェアで微調整できることが多く、精度と正確さが向上します。

ケーススタディ：ポータブル多機能キャリブレータ

これらの利点を説明するために、較正システムの要件を考えてみましょう。産業用アナログI/Oモジュールの多くは、適切な動作を保証するために定期的な較正を必要とします。通常、この較正には、持ち運びや操作が煩雑になりがちな機器をいくつか使用します。これらの機器を多機能デバイスに置き換えることで、技術者は作業の精度を向上させながら生産性を高めることができます。

たとえば、図1に示すキャリブレータの設計は、複数の機器に代わるポータブルな多機能システムを構築するために使用することができます。さらに、このバッテリ駆動設計は、かさばるデスクトップ型キャリブレータに匹敵する性能を達成することができます。

図1：ポータブル多機能キャリブレータは、MAX22000 I/Oデバイスを中心に構築できます。（画像提供：Analog Devices）

設計の中核をなすのはMAX22000です。電圧および電流の両方のセンシングをサポートするほか、入力は熱電対モードまたは測温抵抗体（RTD）モードに設定できます。このため、このチップは、温度トランスミッタやシグナルコンディショナの較正に最適で、電圧や電流出力と熱電対やRTDからの温度測定値を比較することができます。

この設計の特筆すべき点は、温度補償を組み込んでいることです。具体的には、0.84 x 0.84 x 0.35ミリメートル（mm）の小型温度センサである MAX31875を2個搭載しています。図1に示すように、これらのICの1つをMAX22000に隣接させ、もう1つをソース端子の近くに配置することで、端子間の電圧勾配の温度補償が可能になります。

ソフトウェアによる構成が可能なアナログI/Oを中心とした組込みシステムの設計

このようなシステムをMAX22000をベースに考えている場合、いくつかの設計上の注意点があります。IC構成の学習曲線を短縮するために、まず MAX22000EVKIT# 評価キット（図2）で実験することをお勧めします。

図2：MAX22000EVKIT#評価キットには、MAX22000 I/Oデバイスを構成するためのソフトウェアが含まれています。（画像提供：Analog Devices）

生産準備の整った設計のためには、デバイスを設定する、より強固な手段が必要になります。ポータブルキャリブレータの設計は、これを実現する1つの方法を示しています。MAX22000は、シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）を介して、 Arm Cortex-M4Fマイクロコントローラである MAX32625 に接続します。マイクロコントローラは、ユニバーサル非同期レシーバ/トランスミッタ（UART）ポートを介して、オンボードの FTDI FT234XD-R USBブリッジに接続します。

多くの設計では、ディスプレイとユーザーコントロールも必要になります。ポータブルキャリブレータの場合、 Seeed Technology Co, Ltd. の Nextion NX4827T043 - GE のような小型で低解像度のタッチスクリーンは、両方の目的を効果的に果たします。この4.3インチ（109.22mm）の抵抗膜方式ディスプレイは480 x 272の解像度を持ち、基本的なユーザーインターフェースとしては十分すぎるほどの性能を持っています。

組み込みシステムが初めての場合、 MAX32625MBEDのような評価ボードから始めることをお勧めします。MAX32625マイクロコントローラをベースに、アプリケーションの開発とデバッグのための完全なシステムを提供します。また、USBポートやディスプレイなどのI/O周辺機器を Arduino互換コネクタで接続する便利な方法も提供します。

バッテリ駆動システムの電源管理

ポータブルキャリブレータのようなバッテリ駆動システムには、電圧変換とバッテリ監視を組み込む必要があります。この設計例では、電圧変換は MAX17498、5ボルトのUSB入力をバッテリパックが必要とする7.2ボルトに昇圧するフライバックコンバータによって処理されます。一方、 MAX17320X20-T 残量ゲージは、電圧、電流、温度などのバッテリ状態を管理します。

このブログで取り上げた他の部品と同様、これらのICにも評価キットがあります。具体的には、 MAX17498BEVKIT でフライバックコンバータを試し、 MAX17320X2EVKITで残量ゲージをテストすることができます。また、 MAX31875EVKIT を使って、小さなMAX31875温度センサを試すこともできます。

まとめ

急速に進化する産業用エレクトロニクスにおいて、ソフトウェアで構成が可能なアナログI/Oデバイスの開発により、システム設計と運用においてこれまでにない多様性と効率性が実現できます。Analog DevicesのMAX22000はその良い例で、アナログ信号処理に多面的なアプローチを提供し、さまざまなアプリケーションに合わせてオンデマンドで再構成できます。