對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用，就 IIoT 端點的特性和靈活性而言，不僅在功能上一直擴展，而且還將物理控制區(qū)域從端點中的主機微控制器擴大至數(shù)英尺之外。雖然可以使用 IIoT 端點主機微控制器的一些 I/O 引腳來到達這些擴展位置，但隨著距離的增加，I/O 線路更容易受到電磁干擾 (EMI) 的影響，導(dǎo)致可靠性降低。盡管可以將另一個微控制器用作 IIoT 端點主機微控制器的子節(jié)點，但是當(dāng)數(shù)據(jù)僅用作簡單的數(shù)字 I/O 信號時，這可能會增加不必要的復(fù)雜性。
開發(fā)人員可以使用端口擴展器作為 IIoT 端點高性價比的子節(jié)點，而不必擴展 I/O 線路以實現(xiàn)范圍更廣的控制。
本文先介紹了端口擴展器的作用，然后介紹了 Maxim Integrated 推出的兩款端口擴展器。這些擴展器可通過串行接口輕松連接至主機微控制器，從而大幅擴展 IIoT 節(jié)點的數(shù)字 I/O 功能。在做到這一點的同時，它們還保留了常規(guī)通用 I/O (GPIO) 功能，如脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 生成和中斷檢測。
為什么 IIoT 網(wǎng)絡(luò)需要端口擴展器
規(guī)劃 IIoT 網(wǎng)絡(luò)時，首要步驟之一是確定端點數(shù)量。每個需要與設(shè)施的其他部分同步其行為的設(shè)備都將需要至少一個端點。工廠裝配線是一個很好的例子。每個工位必須與整條裝配線的進度保持同步，以便在恰當(dāng)?shù)臅r間執(zhí)行正確的裝配程序。
但是，工廠裝配線中的 IIoT 端點可能不會定位在一個物理區(qū)域，而是可能使用電線或電纜將 IIoT 端點的主機微控制器 GPIO 端口延伸到數(shù)英尺之外，類似于以主機微控制器作為中心的星形配置。星形配置每個點的端接可能具有一定的復(fù)雜性，可以充當(dāng) IIoT 主端點的子節(jié)點，但又不會特別復(fù)雜，因而無法配置為獨立的 IIoT 端點進行網(wǎng)絡(luò)連接。雖然子節(jié)點可以設(shè)計成由自帶微控制器來控制，但對于簡單的 GPIO，這可能會增加不必要的復(fù)雜性和成本。
一個真實的例子是使用 PWM 信號控制電機的 IIoT 端點。如果電機遠在幾英尺之外，則需要將多個 PWM 信號發(fā)送到電機，而這會增加周圍區(qū)域的 EMI。屏蔽電纜可用于傳輸 PWM 信號，但這會增加系統(tǒng)成本，并且無法消除因遠距離相位延遲或串?dāng)_引起的誤差。作為替代，可以使用 I2C 或 SPI 等串行總線將命令發(fā)送至位于電機附近的可編程系統(tǒng)，然后由該系統(tǒng)生成 PWM 信號。這些電子器件將作為一個子節(jié)點以生成所需 PWM 信號。
一個實用的子節(jié)點解決方案是使用主機微控制器的串行接口連接端口擴展器。端口擴展器比微控制器更易于配置，而且可以擴展主機微控制器的 GPIO 覆蓋范圍。主機微控制器只需通過 I2C 或 SPI 接口輕松訪問子節(jié)點的端口擴展器，而不需要布設(shè)八條或更多的 GPIO 線路通向子節(jié)點。寫入端口擴展器中的寄存器可設(shè)置或清除 GPIO，而讀取則可返回 GPIO 的狀態(tài)，與主機微控制器的 GPIO 控制一樣。此外，端口擴展器還保留了微控制器 GPIO 的大部分功能，包括 PWM 生成和中斷輸入。
一個易于使用的端口擴展器示例是 Maxim Integrated 的 MAX7315AUE+T，它具有八個 GPIO 和 I2C 接口（圖 1）。
圖 1：Maxim Integrated 的 MAX7315A 端口擴展器提供多達八個 GPIO，并可在任何 GPIO 狀態(tài)發(fā)生變化時生成主機微控制器中斷。該器件可通過雙線 I2C 接口來訪問。（圖片來源：Maxim Integrated）
MAX7315A 支持八個 GPIO，每個 GPIO 可獨立配置為輸入或開漏輸出。主機微控制器通過雙線 I2C 接口與 MAX7315A 通信，該接口的工作頻率高達 400 kHz。I2C 總線上的設(shè)備地址通過三個地址引腳 AD [0:2] 進行配置，如圖 1 所示。該器件還可以生成主機微控制器中斷。
MAX7315A 僅需三個引腳即可輕松管理八個 GPIO：兩個 I2C 引腳和中斷引腳。只要條件能確保可靠的 I2C 通信，就可將該器件置于與主機微控制器保持任意距離的位置。根據(jù)電路板布局和環(huán)境 EMI，通常情況下，串行時鐘 (SCL) 頻率為 400 kHz 時，三英尺是比較可靠的距離，而 100 kHz SCL 下可以達到九英尺或更遠。
不過，務(wù)必在有源環(huán)境中進行測試，以確保環(huán)境條件或 EMI 對距離沒有顯著影響。
子節(jié)點的中斷檢測
該器件的引腳 13 支持低電平有效中斷輸出，但如果不需要中斷功能，則可以將引腳 13 配置為第九個 GPIO。中斷可以配置為在任何輸入引腳轉(zhuǎn)換時變?yōu)榈碗娖健＿@樣，主機微控制器無需輪詢 MAX7315A，即可了解子節(jié)點的活動。啟用中斷功能后，任何配置為輸入并啟用了中斷的 GPIO 都將用作中斷輸入。在任何配置為中斷的 GPIO 狀態(tài)發(fā)生任何變化時，引腳 13 都會變?yōu)榈碗娖剑韵蛑鳈C微控制器發(fā)出變化信號。然后，主機微控制器讀取 MAX7315A 的狀態(tài)，以確定哪個 GPIO 的狀態(tài)發(fā)生了變化。
此過程可防止將端口擴展器用作 GPIO 造成任何中斷功能丟失，這不僅在 IIoT 中至關(guān)重要，而且在需要中斷來實現(xiàn)高效固件運行的微控制器系統(tǒng)中也是如此。
更改 MAX7315A 的配置之前，應(yīng)禁用中斷功能，以免生成錯誤中斷。
盡管 MAX7315A 可以采用 2 V 至 3.6 V 電源供電，但 GPIO 可承受 5.5V 的電壓，因而 GPIO 可兼容標(biāo)準邏輯電平，包括 2.0 V、3.6 V 和 5.0 V 數(shù)字系統(tǒng)。每個配置為開漏輸出的 GPIO 均可在邏輯高電平下提供高達 50 mA 的電流。輸出可以連接在一起，以增加輸出電流。這使得 MAX7315A 適用于大電流 LED 指示燈和鍵盤背光。
子節(jié)點的 PWM 生成
MAX7315A 還可以實現(xiàn)可編程 PWM 輸出，無需主機微控制器的干預(yù)。內(nèi)置的 32 kHz 振蕩器可用作 PWM 波形的時基。與預(yù)分頻器類似，4 位主強度設(shè)置可將所有輸出的可用 32 kHz PWM 強度配置為 0 至 15。每個 GPIO 的每個 PWM 輸出波形均分為 15 個時隙。主強度設(shè)置確定了可用于生成 PWM 的時隙數(shù)。每個 GPIO 都配有單獨的強度寄存器，用于設(shè)置活動時隙中波形的占空比。單個 GPIO 引腳輸出波形示例可以很好地解釋這一點（圖 2）。
圖 2：MAX7315A 具有可編程 PWM 發(fā)生器，通過內(nèi)部產(chǎn)生的 32 kHz 時鐘工作。該 PWM 的主強度 = 2，單個 GPIO 占空比強度 = 2。（圖片來源：Maxim Integrated）
主強度設(shè)置為 2，因此 15 個時隙中只有時隙 1 和 2 可用于生成 PWM，而時隙 3 至 15 的邏輯電平為零。該 GPIO 的單個占空比強度設(shè)置為 2，因此時隙 1 和 2 中波形的占空比為 2/16 = 12.5%。
PWM 主強度可設(shè)置為 0 至 15，其中 15 表示所有 15 個時隙都可用。主強度為 0 意味著所有 GPIO 均禁止用于生成 PWM，因此 32 kHz 時鐘關(guān)閉以降低功耗。
每個 GPIO 的 PWM 占空比強度都可配置為 1 至 16，其中 16 表示 100% 占空比，即將時隙設(shè)置為邏輯高電平。
為了進一步提高靈活性，每個 GPIO 都有一個極性位，可以反轉(zhuǎn) PWM 波形。圖 2 顯示了該 GPIO 的極性位設(shè)置為 1 時的波形。圖 3 顯示的 PWM 波形是圖 2 中的相同 GPIO 采用了同樣的主強度和占空比強度設(shè)置，但極性位為 0。
圖 3：在 Maxim Integrated 的 MAX7215A 上，每個 PWM GPIO 都有一個極性位，可反轉(zhuǎn)波形。該 PWM 的主強度 = 2，單個占空比強度 = 2，極性位= 0（反轉(zhuǎn)波形）。（圖片來源：Maxim Integrated）
憑借這種靈活的 PWM 波形生成功能，MAX7315A 可用作 IIoT 端點的子節(jié)點，以控制 LED 指示燈的調(diào)光、驅(qū)動直流電機的功率晶體管，以及控制螺線管和執(zhí)行器。現(xiàn)在，在雜亂的工業(yè)環(huán)境中，主機微控制器不再需要布設(shè)八條數(shù)字線路來傳輸 PWM 波形，而只需配置 MAX7315A 并使其獨立運行。
子節(jié)點的擴展功能
對于更復(fù)雜的子節(jié)點，Maxim Integrated 提供了 MAX7301AAX+T 端口擴展器，它具有多達 28 個 GPIO。MAX7301AAX 使用標(biāo)準四引腳 SPI 接口與 IIoT 端點的主機微控制器連接（圖 4）。此外，該器件還支持高電平有效中斷功能，作為引腳 P31 的另一項功能。MAX7315AAX 可配置為在一個或多個 GPIO 的狀態(tài)發(fā)生變化時將生成中斷返回主機微控制器。因此，在中斷驅(qū)動系統(tǒng)中，僅使用五條控制線路即可控制子節(jié)點的 27 個 GPIO：四條 SPI 控制線路和一條中斷線路。
圖 4：Maxim Integrated 的 MAX7301 端口擴展器具有 SPI 接口，并支持多達 28 個可用于輸入或輸出的 GPIO 引腳。引腳 31 的另一項功能是支持高電平有效中斷，允許使用五個控制信號來控制 27 條 GPIO 線路。（圖片來源：Maxim Integrated）
MAX7301AAX 可在 2.25 V 至 5.5 V 的寬電源電壓范圍內(nèi)工作，使其兼容大多數(shù)數(shù)字邏輯系統(tǒng)。GPIO 可以配置為帶或不帶內(nèi)部上拉電阻的施密特觸發(fā)器輸入。GPIO 也可以配置為推挽輸出，可實現(xiàn)高達 10 mA 的灌電流。這使得 MAX7301AAX 適合連接至用于控制其他設(shè)備（例如工業(yè)控制器）的邏輯電平電路，以及系統(tǒng)監(jiān)控和報警電路。
總結(jié)
隨著設(shè)計人員擴展 IIoT 端點的物理覆蓋范圍，控制子節(jié)點可能會成為一項挑戰(zhàn)，因為在數(shù)英尺的距離上擴展多條控制線路會在 EMI、布局和電路復(fù)雜性方面產(chǎn)生許多問題。借助端口擴展器來控制中斷驅(qū)動系統(tǒng)的子節(jié)點，開發(fā)人員可以簡化印刷電路板布局、提高可靠性，同時為 IIoT 端點添加重要功能。
