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作者：Clive Maxfield

关键词: 开发工具, 方案

许多业余爱好者、创客和DIY爱好者都使用Arduino微机开发板来监视和控制他们的项目。于是，越来越多的专业工程师也开始将这些开发板用作评估和原型开发平台，以便加快开发速度，降低集成电路 (IC)、传感器和外设评估方面的成本。如《使用Arduino BOB快速评估传感器和外设》一文所述，这些工程师所在的团队可能比较精简，而且还深受产品上市时间 (TTM) 日益缩短的制约。因此，他们必须承担多个工程领域的工作，同时设法加快元器件评估并降低成本。

其中一种解决方案是将Arduino与传感器和外设分线板 (BOB) 之类的开源硬件及库和示例程序之类的开源软件结合使用。尽管有多种Arduino开发板可以满足一系列的处理和存储器要求，但是使用浮点运算器 (FPU) 却能更好地完成某些计算，从而避免减慢主处理器的速度。在Arduino生态系统中，ShieldBuddy就已经解决了这一问题。

本文将介绍多种Arduino处理平台选项，解释为什么FPU功能对许多应用都很重要，然后介绍ShieldBuddy，这款开发板与Arduino开发板采用类似的物理封装，但具有三个独立的200MHz 32位处理器内核，并且每个内核都有各自的FPU。此外，本文还将介绍该开发板的编程模型，展示其基于Eclipse的编程环境及其对Arduino集成开发环境 (IDE) 的支持如何帮助DIY爱好者和设计人员快速入门。

适合新手和专业人士的Arduino

刚踏入Arduino领域的新手往往从Arduino Uno Rev3（图1）入手，这款开发板基于16MHz 8位ATmega328P微控制器。该开发板只有32KB的闪存（程序），2KB的SRAM，14个数字输入/输出 (I/O) 引脚和6个模拟输入引脚。其中6个数字引脚可以提供脉冲宽度调制 (PWM) 输出，必要时模拟引脚也可用作数字I/O引脚。

Arduino Uno Rev3的排针封装是连接扩展板这一庞大子板生态系统的基础，包括14个数字I/O引脚、6个模拟输入引脚，以及多个电源、接地和基准源引脚。

继Uno Rev3之后，许多用户都转用Arduino Mega 2560 Rev3 开发板（图2）。这款开发板基于16MHz 8位ATmega2560微控制器。该开发板具有256KB的闪存和8KB的SRAM。此外，该板的排针封装表明它与Uno支持相同的扩展板，不过，Mega配有更多排针，因此具有54个数字I/O引脚和16个模拟输入引脚。其中15个数字引脚可以提供PWM输出；同样，必要时模拟引脚也可用作数字I/O引脚。

除了受限于8位数据路径和16MHz的时钟频率之外，Arduino Uno和Arduino Mega微控制器均不具备FPU，因而任何涉及浮点数的计算都会显著减慢这些处理器的速度。

如果用户想要更强的处理能力，则可以升级使用Arduino Due（图3）。这款开发板与Arduino Mega采用类似的物理封装，但基于Atmel/Microchip Technology SAM3X8E的84MHz 32位Arm^® Cortex^®-M3处理器。该开发板具有512KB的闪存、96KB SRAM、54个数字I/O引脚、12个模拟输入引脚，以及2个由数模转换器 (DAC) 驱动的模拟输出引脚。其中，只有12个数字引脚可以提供PWM输出；同样，必要时模拟引脚也可用作数字I/O引脚。不过，遗憾的是，与Arduino Uno和Mega一样，Arduino Due的处理器也不具备FPU。

许多用户（包括业余爱好者和专业人士）都喜欢Arduino Mega和Arduino Due开发板具有较多的引脚。但是，即使是Arduino Due的84MHz 32位处理器可能也难以执行某些计算密集型任务。同样，对于需要处理大量数据的大型程序，Due配备的512KB的闪存和96KB的SRAM仍显不足。

尽管如今的微控制器能处理的数据量越来越大，但是从提高效率和降低延迟方面考虑，使用FPU可以更好地完成某些计算。

什么是FPU？为什么需要它？

要讨论FPU为何有用，首先要说说计算机处理数字的原理。在计算机中，最简单的数字表示法是整型（整数），而且使用整型数进行计算，运算成本较低。不过，整型数本质上范围有限，因而无法表示较大的动态范围。

对于工程师和科学家而言，这是个问题，因为他们常常需要在同一计算中使用极大和极小的数值。例如，物理学家可能需要同时使用光速 (300,000,000) 和牛顿引力常数 (0.00000000006674) 来进行计算。同样，在数字信号处理 (DSP) 等任务以及人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 应用中，工程师则要使用较大动态范围的数值。

在这种情况下，解决方案就是使用浮点数表示法，即小数点的位置可根据数值的各个数字“浮动”，从而实现更高的数字“分辨率”。但问题在于，尽管32位浮点数所占内存与32位整型定点数相同，使用浮点数进行计算却需要更多的计算资源。

如果处理器必须使用标准定点硬件进行浮点运算，那么必定会极大地影响该处理器的性能。在这种情况下，解决方案就是为处理器配备特殊的FPU，即可在很短的时钟周期内完成复杂的浮点运算。

这正是ShieldBuddy的用武之地。

ShieldBuddy为Arduino生态系统引入FPU和高性能

目前，一款相对较新的兼容Arduino的开发板是Infineon Technologies的KITAURIXTC275ARDSBTOBO1，即ShieldBuddy（图4）。这款嵌入式评估板主要面向Infineon的TC275T64F200WDCKXUMA1 TC275 AURIX TC2xx TriCore 32位微控制器。

ShieldBuddy与Arduino Mega和Arduino Due采用类似的物理封装，可与许多应用扩展板兼容，但区别在于它配备的TC275具有三个独立的200MHz 32位内核，并且每个内核都有各自的FPU。此外，ShieldBuddy具有4MB的闪存（分别是Arduino Due的8倍、Arduino Mega的16倍），以及500KB的RAM（分别是Arduino Due的5倍、Arduino Mega的62倍）。

有一点可明显看出区别：Arduino Mega内核每微秒 (µs) 只能处理约16条8位指令；相比之下，TC275每个内核的周期时间为5ns，因而每个内核每微秒通常可执行约150至200条32位指令。由于ShieldBuddy的每个处理器内核都有各自的FPU，因此该板进行浮点运算时，几乎不会削弱性能。

使用ShieldBuddy进行开发

使用ShieldBuddy时，专业软件开发人员也许希望借助Eclipse IDE，而业余爱好者和创客可能更偏好使用为人熟知的Arduino IDE。该板可支持这两个选项。

Arduino的用户都很清楚，每个草图（程序）必须具有两个标准函数：setup()（单次运行）和loop()（多次运行）。除此之外，用户还可以创建自己的函数。

ShieldBuddy的三个内核分别称作Core 0、Core 1和Core 2。在使用Arduino IDE的情况下，大多数现有草图都可以编译，以便直接用于ShieldBuddy而无需修改。setup() 和loop() 函数及其调用的所有用户创建的函数经编译后，均默认在Core 0上运行。

创建新程序时，用户可将这些函数命名为setup0() 和loop0() 以达到相同的效果。另外，用户也可以创建setup1() 和loop1() 函数。这些函数及其调用的所有用户创建的函数经编译后，均会自动在Core 1上运行。同理，setup2() 和loop2() 函数及其调用的所有用户创建的函数经编译后，均会自动在Core 2上运行。

默认情况下，各个内核独立运行，因此ShieldBuddy可以同时运行三个完全独立的程序。尽管如此，各内核间也可使用共享存储器等技术进行通信。此外，每个内核还都可以在其他内核中触发软中断。

结语

事实证明，Arduino的开源理念取得了巨大的成功，随之衍生的硬件和软件生态系统也得以发展，包含了数百种扩展板、数千个库和应用程序。

尽管早期的Arduino开发板（例如16MHz 8位Arduino Uno和Arduino Mega）具有一定的局限性，但较新的产品（例如84MHz 32位Arduino Due）功能明显就更强大。即便如此，许多用户仍需要更多的程序存储空间（闪存）、更多的数据存储空间 (SRAM) 和更强的处理能力，而这些都绝非任何传统 Arduino 所能提供。

ShieldBuddy具有4MB的闪存、500KB的SRAM和三个独立的200MHz 32位处理器内核，而且每个内核都有各自的FPU，将Arduino理念提升到一个全新的层次，因而追求极致的DIY爱好者和专业工程师都对它兴趣浓厚。

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本期Digi-Key Daily向大家推介两款产品——Silicon Labs的BGM220 Explorer套件和Knowles的B056RC4S 6GHz带通滤波器。

产品一：Silicon Labs的BGM220 Explorer套件

做物联网开发的工程师都希望自己的案头有一款能够快速完成方案原型开发，验证自己设计创意的工具，Silicon Labs的BGM220 Explorer套件就能满足这个需求。

该开发套件以BGM220P蓝牙模块为核心，包括Arm Cortex-M33内核和集成的安全功能，是开发节能型互联物联网应用的理想选择。

BGM220 Explorer套件和具有USB接口、板载SEGGER J-Link调试器、一个用户LED和按钮，并可以通过mikroBus™插座和Qwiic^®连接器使用丰富的硬件板卡资源。它还配备了20针2.54毫米转接垫，用于探测或连接定制硬件。

了解Silicon Labs的BGM220 Explorer套件的更多信息，请看以下视频：

产品二：Knowles B056RC4S 6GHz表面贴装带通滤波器

如果你正在寻找一款适用于5G频段的小型化、高性能的带通滤波器，Knowles的B056RC4S 6GHz带通滤波器就是不错的选择。

该滤波器采用紧凑、完全屏蔽的表面贴装封装，专为5G频段设计，频率范围为4GHz至8GHz，损耗很小，其特性阻抗为50Ω，并具备高重复性能，通带插入损耗为3dB，低侧和高侧最小抑制为40dB。

值得一提的是，B056RC4S使用了温度稳定性材料，在-55℃至125℃的温度范围内都能够保持一致的性能。

了解Knowles B056RC4S 6GHz表面贴装带通滤波器更多信息，请看以下视频：

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关键词: 信号，工作原理

问：ADC和DAC的基准类型

所有模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）都需要具备基准电压（通常是一个电压）。该基准电压源是ADC和DAC系统中的必要模块。有些转换器需要内部基准，而有些则需要外部基准。知道了这一点，那么我们就需要考虑，如何在应用中选择合适的ADC或DAC基准类型呢？

一般来说，有3种主要的基准类型可供选择：内部、外部和电源。

1.内部基准

转换器内置的一些基准电压。在下面的典型电路中，内部基准类型有助于减少电路设计中使用的元器件数量，从而简化设计问题。但这容易受到环境温度的影响。因为温度变化将导致基准电压出现偏移并影响转换器的稳定性。

2.外部基准

外部基准将施加的电压（或电流）用作转换器的基准信号，如以下典型电路中所示。它可使设计更加灵活。

例如，在高分辨率ADC应用中，工程师可以利用低噪声和正/负基准（+/- Vref）（如果需要的话）使系统实现无噪声代码分辨率。还可以通过增加系统的温度补偿，以提高基准稳定性。当然，使用外部基准导致的元器件数量和设计复杂性的增加及其相关成本，也是需要考虑的问题。

3.电源

使用电源作为基准的优势在于，任何电源噪声都可以直接耦合到电源。这相当于将器件与任何电源噪声隔离。

更多关于不同ADC与DAC技术信息, 请查看：

• ADC架构： SAR ADC 与 Delta-Sigma（Σ-Δ）ADC 架构区别？
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关键词: 连接器，工作原理，规格

问：常见垫圈的类型及其用途

垫圈是螺母、螺栓或紧固件下面的金属或非金属材料。主要用于阻止泄漏或仅防止因振动而导致的松动。除此之外，它们还有助于分散施加在孔或接头上的压力。止动垫圈是为紧固件制造的，这些紧固件往往会因振动或摩擦而松动。虽然止动垫圈有许多不同的类型，但它们都试图实现相同的目的，即将紧固件锁定到位。

垫圈尺寸可以是英制或公制单位。如果您没有特定的尺寸，大多数制造商都能够定制一个适合您使用的垫圈，也可以依据ANSI、SAE、USS和JIS尺寸制造垫圈。

Digi-Key目前有不同垫圈类型，包括开口销、密封、内齿、外齿、平面和平面固定型等。下面将详细介绍每种垫圈及其用途。

• 开口销：开口销也称为螺旋弹簧止动垫圈。它们由切割或分开的弹簧线圈制成。这使得线圈的两端向外推到配合面。因此，当垫圈固定时，线圈的每一端都会咬入螺丝头部的表面以及您固定的表面上。

• 密封型：密封垫圈使用硅胶材料，并粘合在垫圈的钢材料上。它们可与螺丝、螺栓和螺母一起使用。它们是满足任何密封需求的简单解决方案。它们是在垫圈的底部带有密封垫圈表面的密封件，顶部的密封件包住柄部，并且在紧固件的头部下方形成从顶部到底部的完全密封。

• 内齿型：内齿型垫圈在内圈上具有倒齿，并且垫圈的外侧是光滑的。它们适用于头部较小的紧固件。当紧固件的头部固定到孔中时，内齿将有助于抓住表面，同时抵抗被压缩的垫圈的力。

• 外齿型：外齿在垫圈的外圈上具有齿，使得它们实际上可以咬入其所放置的表面，并且内部仍然是圆柱形孔。它们专为头部较大的紧固件而设计。当头部被固定到孔中时，外齿将有助于抓住表面，同时抵抗被压缩的垫圈的力。

• 扁平型：扁平垫圈用于基本应用，其中孔直接位于垫圈的中心。无论是标准或公制，它们都可以容纳所有形状和尺寸。

• 平面固定型：这些垫圈有多个孔，因此您可以拧紧或固定垫圈，第二个孔用于将电线连接到螺丝或螺栓上。

更多关于不同紧固件技术信息, 请查看：

• 通电连接器和紧固件的极性术语
• 根据螺纹尺寸选择螺絲钉
• HIROSE – DF60 连接器螺母
• Molex 1300130076的附件螺母和垫圈
• NMO连接器/安装

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作者：Steve Taranovich

关键词: 工作原理, 方案

制造商和设施经理渐渐意识到物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 在降低成本、改善工艺和安全方面颇具潜力，有助于提高设备可用性和最终产品质量。为了充分利用这一潜力，运营工程师和现场技术人员需要设法有效部署和连接数百个（甚至数千个）智能传感器和执行器，以收集系统和工艺元件的数据，因为这些系统和元件最初并非为双向通信而设计。

同时，还需要将当前连接的设备和系统网络有效集成到工业物联网网络中，以最低的成本和系统复杂性来实现可接受的全局互操作性，这一任务同样极具挑战性。

IO-Link (IEC 61131-9) 单点数字通信接口标准是为解决许多传感器和执行器连接问题的一项全球性尝试。原理虽简单，但是挑战在于这项标准相对较新，许多设计人员尚不熟悉其内容和应用方法。

本文面向希望正确且快速实施传感器网络的运营工程师和技术人员，以STMicroelectronics、Texas Instruments、Carlo Gavazzi、Phoenix Contact、Analog Devices和Omron等供应商的相关IO-Link系统元器件为例，详细介绍了IO-Link，以期帮助其熟悉该标准，并针对IO-Link实施的实用性进行探讨。

什么是 IO-Link？

IO-Link是一种点对点有线（或无线）系统的串行数字通信协议，针对各种传感器和执行器均采用三线制连接，并为需要额外电源的设备提供五线制标准电缆连接。该协议由IO-Link联盟开发，并于2010年作为“用于小型传感器和执行器的单点数字通信接口”(SDCI) 纳入适用于可编程逻辑控制器 (PLC) 的IEC 61131-9标准中。

常规I/O与IO-Link的主要区别在于IO-Link能够传输以下四种主要数据类型：

• 过程数据：过程数据包括循环（即每个通信周期）传输的模拟量和开关状态。
• 值状态：每个端口都具有值状态 (PortQualifier)。值状态可显示过程数据是否有效，并且可与过程数据一起循环传输。
• 设备数据：设备数据可以是参数、标识数据和诊断信息。设备数据采用非循环交换，并在响应IO-Link主站查询时进行。设备数据既可写入设备，也可从设备读取。
• 事件：事件是非循环的，包括错误消息（例如短路）和警告/维护数据（例如污染、过热）。

请注意，设备参数或事件的传输独立于过程数据的循环传输。各传输不会相互影响或削弱。

IO-Link不需要特殊的电缆和连接器。相反，该规范要求使用长度不超过20m的标准非屏蔽三至五芯电缆。标准连接配置为M5、M8和M12圆形连接器。

对于三线制连接类型，IO-Link术语称为A类端口；三芯导线中，一芯用于通信，一芯用于电子设备供电，另一芯则作为公共参考电位。此连接的最大输出电流为200mA。此外，该规范还要求使用4针连接器，第四针引脚用作符合IEC 61131-2标准的附加信号线，主站和设备均可选用。

上述五线制连接称为B类端口，用于需要外加电气隔离式独立24V电源的设备（通常是执行器）。

IO-Link的一项特殊特性是现场总线中立性，允许IO-Link功能连接至任何一种现场总线。IO-Link既可使用Profibus、Profinet、EtherCAT和Sercos等现场总线的标准映射，也可使用EtherNet/IP、CANopen、Modbus、CC-Link和AS-Interface的制造商特定映射。

每个IO-Link设备都具有独立于现场总线或控制器的IO设备描述 (IODD)，以实现现场总线中立性。IODD包括设备的制造商、型号、序列号、设备类型和参数详情等相关信息。

IO-Link系统配置基础知识

IO-Link系统包括IO-Link主站以及传感器和执行器等IO-Link设备（图1）。所有IO-Link设备均需连接至IO-Link主站。

IO-Link系统中控制器可由通信主站和CPU进行配置。控制器可执行用户程序，并与IO-Link主站交换 I/O 数据。

IO-Link主站单元作为从站，通过EtherCAT、Profibus或Omron NX总线等现场总线连接至控制器（图2）。主站单元与IO-Link设备进行IO-Link通信。

发生事件时，设备向主站发出信号，说明发生了事件。随后主站读取事件，错误消息经由IO-Link主站从设备传输至控制器或人机界面 (HMI)。此外，IO-Link 主站也可以自主传输事件和状态，例如断路、通信故障等事件。

IO-Link主站的各个端口都可处理二进制开关信号和模拟量（例如8位、12位、16位）。IO-Link串行通信通过同一端口进行。除了接线简单外，IO-Link还具有自动参数设置和丰富的诊断功能等其他优势。

IO-Link标准在每个周期可传输2字节的过程数据。IO-Link主站与设备之间的传输速度为230kbaud，耗时400μs。用户可以控制数据帧的大小，因此也可以在更长周期内传输更大的过程数据，最大长度为32字节。

设备的参数数据会直接自动存储在IO-Link主站中，以确保更换设备时不会丢失。一旦连接了相同的替换设备，先前设备的参数就会自动传输至新设备。

STMicroelectronics的STEVAL-IFP016V2 IO-Link通信主站收发器演示板提供了主站功能的典型示例（图3）。该演示板具有STMicroelectronics的L6360 IO-Link主端口，可用作多个I/O设备的通信收发器：既具有IO-Link主端口模式，也具有标准I/O模式。该演示板与外部微控制器连接即可演示L6360单片IO-Link主站作为多个I/O设备通信收发器的功能。

建议：务必要求演示板制造商提供该电路板的Gerber文件，以便将其集成到系统架构中。

另一个示例是Analog Devices的DC1880A演示板，具有LTC2874四路IO-Link主站热插拔控制器和物理层接口 (PHY)。在特殊情况下也可配置LTC2874，使其为大电流串行输入/输出 (SIO) 器件供电（图4）。

该演示板由外部电源供电，使用DC590B USB串行控制器板通过SPI协议与LTC2874进行通信（图5）。兼容Arduino的隔离式Linduino One演示板DC2026C则可为IO-Link系统提供支持软件。

如需着手使用DC1880A演示板，请下载QuickEval软件，使用标准USB A/B电缆将DC590B板连接至PC，然后使用DC590B板随附的14芯带状电缆将DC1880A板连接至DC590B板。DC1880A板的跳线可用于设置不同的电压，为DC590板和DC1880A板的逻辑电源 (VL) 电压引脚供电。不过，上电必须分阶段进行。连接输入电源之前须确保电压低于40 V，并且连接之前必须关闭电源。

IO-Link上电操作

当LTC2874等IO-Link主站上电时，主站将询问连接的各个设备以确定设备处于正确的操作模式。常规IO与IO-Link设备可混合使用并在同一系统中无缝运行。例如，可将LTC2874的一个端口设置为具有L+热插拔功能的标准I/O (SIO) 端口（端口4），其他三个端口则设置为大电流 (SIO+) 端口（图6）。

LTC2874在SIO+模式下运行时，将热插拔通道用作大电流SIO驱动器可按需提供大电流。LTC2874的额定通信或信令 (CQ) 电流为110mA。SIO通道并联的最大电流可达440mA。请注意，该电流超过了IO-Link规范定义的最大输出电流200mA。如果设计人员需要超过200mA的大电流，虽然仍可维持LTC2874的IO-Link特性和功能，但是不符合IO-Link标准要求。

针对工业点对点通信的IO-Link接口，Texas Instruments推出SN65HVD101EVM IO-Link接口评估板，可用于SN65HVD101和SN65HVD102收发器，有助于设计人员评估设备性能，为这两款IO-Link PHY设备的快速开发和分析提供支持。

SN65HVD101和SN65HV2102 IO-Link PHY可用作工业点对点通信的IO-Link接口。当设备连接至IO-Link主站后，便会响应主站发起的通信。这些PHY设备可与主站节点交换数据，作为双向通信的完整物理层。

完全封装的可部署IO-Link主站包括Phoenix Contact的DIN导轨安装式1072839 IOL MA8 EIP DI8八通道IO-Link主站（图7）。

IOL MA8 EIP DI8可构成完整IO-Link系统连接至EtherNet/IP和Modbus TCP网关，可通过基于Web的管理连接多达8个IO-Link传感器（图8）。该主站具有两个交换机类以太网端口、状态LED以及可轻松连接电源和IO-Link端口的连接器。

通过Web界面即可获得所有IO-Link设备的完全访问权限。例如，如需访问Web界面的诊断页面，用户只需登录IOL MA8 EIP DI8，单击 “Diagnostics”（诊断）选项卡，然后单击所需的子选项卡。如需显示图8所示的 “IO-Link Diagnostics”（IO-Link诊断）页面，用户只需单击 “IO-Link” 子选项卡。

IO-Link传感器

借助IO-Link，设计人员可以有效地将数据从传感器直接传输至控制系统。具有IO-Link功能的传感器配置灵活，可为控制器提供诊断信息以确保机器有效运行。除了检测传送带上的物件等基本检测功能外，策略性放置合适的传感器还可提供准确而详尽的机器运行状况。在工业物联网应用中，提前预测故障可提高设备的正常运行时间和整体生产率。

IO-Link传感器选择众多。例如，Carlo Gavazzi推出的耐用型电容式接近传感器CA18CAN12BPA2IO。该传感器的响应时间不足10ms，使用该公司的第四代Tripleshield^TM技术以提高电磁干扰 (EMI) 抗扰度（尤其对于变频器），并改善防潮和防尘特性（图9）。

该传感器符合DIN 40050-9标准要求通过IP69K测试，适用于高压高温冲洗应用。随附电缆长度为2m，检测范围为2至10mm（嵌装）或3至15mm（非嵌装）。

通过IO-Link连接的可调参数包括：

• 检测距离和磁滞
• 检测模式：单点、两点或窗口模式
• 定时器功能，例如：接通延迟、关闭延迟、单次上升沿或下降沿
• 逻辑功能，例如：AND、OR、X-OR和SR-FF
• 外部输入
• 记录功能：最高温度、最低温度、运行时间、运行周期、电源周期、高于最高温度的时间和低于最低温度的时间等

值得注意的是，未连接至启用IO-Link的控制系统时，这些传感器与所有IO-Link传感器一样，也可作为标准传感器使用。因此，用户可为标准I/O应用和IO-Link应用储备相同的传感器，从而简化选型过程并降低库存成本。

如果没有PC或笔记本电脑，Carlo Gavazzi的SCTL55 IO-Link智能配置器是一款便携式自供电设备，可以修改和优化传感器参数，使用可用数据来改善工艺且有助于采取预防性维护（图10）。

通过5.5″高清触摸屏和专用应用程序，智能配置器的用户可以访问高级诊断和故障排除，查看运行时间、检测次数、运行周期和警报。

使用IO-Link升级传统自动化生产系统

IO-Link标准表明，只要相关总线系统可实现IO-Link系统映射，即可利用现有的现场总线结构升级传统系统。扩展现有总线系统是可行的。IO-Link主站将IO-Link数据映射至所用的现场总线，以实现IO-Link设备与PLC之间的数据交换。

对于不具有IO-Link功能的传感器，若无标准PNP输出或推挽输出，则可连接至IO-Link主站，无需特殊的IO-Link电缆或连接器。

总结

随着工业物联网应用的快速发展，设计人员需要一种标准化的快捷方法来部署和连接智能传感器和执行器。IO-Link的数字接口易于使用，有助于实现标准化。

如上所述，市面上有许多现成解决方案可帮助设计人员快速了解、评估和有效部署IO-Link设备，藉此可为工业物联网应用改善工艺，提高生产效率和安全性，减少停机时间。

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关键词: 网络, 射频, 开发工具

Microchip 让IIoT的连接变得更智能

今天，针对工业自动化、传感器监测、控制和智能能源等工业物联网应用的需求日益增加, 如何利用无线连接技术，快速并有效地将设计转化为产品并导入市场，是物联网开发者最为关心的问题。

在短距离无线通信技术方案的选择上，市场上有蓝牙、WiFi、Zigbee等多个选项，但是对于一些通信速率低，而又不太需要与其他供应商产品实现互操作性的应用场景，这些开放的无线协议显得有些复杂，开发门槛和成本也相对较高，这时采用一些结构简洁、价格低廉的专有无线网络结构，不失为一种更好的选择。

Microchip Technology（美国微芯科技）公司提供的MiWi™嵌入式无线网络协议，作为一种小型的无线协议，因其灵活且兼具成本效益的特性，能够帮助客户降低开发风险，更快地将产品推向市场，是一个非常不错的解决方案。

MiWi无线联网协议可在许多不同的无线电频带 （如Sub-GHz或2.4 GHz IEEE 802.15.4）下工作，它具备点对点（P2P）或网状网络功能的协议栈，同时可使所需的单片机和存储器成本最小化。该无线协议无需授权，在工业、科学和医疗（Industrial, Scientific, and Medical，ISM） 的应用中，可以利用Sub-GHz频段实现短距离、低速率、低功耗的无线通信。

MiWi的优势特性包括：

• 低功耗无线通信
• 专有技术，可实现更多定制
• 小尺寸
• 支持网状网络；可从数百个节点扩展到数千个节点

同时，MiWi的开发环境支持MiWi P2P、MiWi和MiWi PRO等专有协议，这些协议支持从简单的星型网络到大型网状网络在内的多种短距离无线网络应用，包括：

• MiWi P2P：具有简单的星型网络，大小约为4 KB。
• MiWi：支持最多4个跃点的网状网络，大小约为16 KB。
• MiWi PRO：支持网状网络，并具有最多64个跃点的路由功能。此外还支持最多8000个节点的网状网络。

你是不是也有兴趣尝试一下MiWi技术能够带来的简洁、易用的开发体验？在本期视频课程中，我们就有请Microchip的专家，为大家介绍及展示MiWi技术，以及利用相关开发套件如何全面支持物联网工程项目的实现。

主讲嘉宾

张萌（Elena Zhang），Microchip Technology上海分公司MCU32部门任产品市场工程师，有8年的新产品新市场推广经验。张萌于2021年初加入Microchip，负责华东和华西地区32位MCU、MPU以及无线产品的市场推广。在此之前，她曾在Murata工作。张萌于2010年毕业于江苏大学，获得电子信息专业学士学位。

走进MiWi带来的物联网应用新天地
即刻点击以下视频
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听完专家的分享，我们还为大家总结了MiWi开发的相关技术资源：

• MiWi™ 无线网络协议栈
• MiWi™-Quick-Start-User-Guide
• Linux4SAM Linux设计的起点网站
• 针对微处理器的 Linux®基础和解决方案
• ATSAMA5D27-WLSOM1-EK1 用户指南

与MiWi相关的产品，也列示如下，方便大家一键直达：

• ATSAMA5D27-WLSOM1 模块
• ATSAMA5D27-WLSOM1评估板DM320117
• XPLAINED PRO SAMR30M 无线模块AC164159
• MiWi无线模块 DT100130
• SAMR30单芯片RF单片机
• LCD 触控屏幕 显示器AC320005-5

如需了解更多Microchip产品相关内容，请浏览Digi-Key网站上的专题页面：

• Microchip产品

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在众多的传感器中，湿度和温度传感器（温湿度传感器）是最常见，也是应用范围最广的一种，它多以温湿度一体式的探头作为测温元件，将温度和湿度信号采集出来，经过稳压滤波、运算放大等信号调理，转换为电流或电压信号，输出到主控芯片进行处理。在极端湿度和温度环境下，是否能够提供稳定的性能表现，是用户在湿度和温度传感器选型时的一个重要考量因素。

TE Connectivity（TE）的 HTU31温湿度传感器在这方面的表现就非常突出，基于TE精密工程设计技术和在湿度和温度组合传感器方面20多年的经验，能够提供高响应速度、高测量精度、低迟滞和持续性能，即使暴露在极端温度 (-40°C至125°C) 和湿度 (0%至100%) 环境中，也能从容应对。

HTU31温湿度传感器包含有数字 (D) 和模拟 (V) 版本，具有多种功能和接口（I²C、模拟和电压输出），工作电压范围3.3V到5.5V（典型值5V），而尺寸仅为2.5mm x 2.5mm x 0.9mm，在家用电器、汽车、工业、医疗等领域，都是温湿度传感应用的理想之选。

HTU31温湿度传感器产品特性

• 提供具有各种接口的模拟和数字输出版本
• 即使结露后也能确保快速响应时间（湿度：5秒，温度：10秒），从而实现持续的系统性能
• 在很宽的湿度（0%至100%）和温度（-40°C 至 +125°C）范围内，都能够提供线性响应曲线，实现极佳系统性能
• 过滤器选件有助于达到IP67等级的密封要求，即使在极端的工作条件下，也能实现持久的性能、低磁滞和精确环境测量
• 外形紧凑 (2.5 mm x 2.5 mm x 0.9 mm)，采用6引脚DFN（双扁平无引线）封装，实现设计灵活性
• 提供低功耗传感器，最低功耗3.78µW

HTU31温湿度传感器典型应用

• 居家舒适
• 安防摄像机
• 冰箱
• 暖通空调及冷冻系统
• 培养器
• 洗衣机和干衣机
• 医用 CPAP 机器
• 气象站

→ 了解HTU31湿度和温度传感器的更多信息，请点击这里>>

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关键词: 保护, 工作原理

问：断路器浅谈

本帖旨在帮助你：

• 熟悉一般的断路器的原理和特性。
• 了解不同类型断路器的优缺点。
• 在选择断路器时，识别并避免一些常见错误。

断路器是一种自动操作的电气开关，旨在防止电路产生由过载或短路造成的损坏。断路器最基本的功能是检测故障情况，并“立即”中断电流。与使用过一次就必须更换的保险丝不同，断路器在复位之后可以继续正常工作。

断路器与保险丝的区别

• 断路器跳闸后能快速简单地复位，也能修复电路故障。而如果保险丝烧坏，可能没有现成的保险丝替换。
• 断路器可以帮助操作员避免误操作。在保险丝应用中，可能会插入不正确的保险丝，这会导致过早烧坏电路或因故障损坏电路。
• 断路器的初始价格看似较高，但由于出现故障的次数及应用的设备数量随着时间的推移而增加，采用断路器可以有助于节省大量成本。
• 一些断路器可以执行电路保护以外的功能，如开关和指示。比如：一些断路器既可以用作电源开关，也可以用作电路保护器，而熔断电路则都会需要单独的电源开关。

更多断路器和保险丝的比较，可参见电路保护器件的差异。

断路器的类型

断路器的类型主要包括以下几种，我们下面会做详细的介绍：

• 热敏式
• 磁动式
• 液力延迟磁动式
• 热磁式

热敏式断路器

• 热敏式断路器结合了热响应双金属条或圆片。
• 由于零件必须要加热后才会跳闸，因此会有可预测的延迟。
• 这类断路器具有相对缓慢的特性曲线，可区分安全的临时浪涌和长时间的过载。
• 热敏式断路器适用于机械或车辆，在启动电机、变压器和螺线管时会伴随较大电流。

我们来进一步分析热敏式断路器的工作原理：

• 在接通状态下，电流将流过双金属板。如果电流值过高，会使双金属发热并弯曲，进而断开触点，并中断电流流动。
• 当触点断开时，绝缘体会滑入触点之间的位置以保持触点处于断开状态（因此在冷却时不会自动复位），并使其持续保持该状态，直到手动复位断路器。
• 通过观察其工作原理，我们不难发现，环境温度会减少或增加额定跳闸电流，但要根据具体的应用来判断该特点的优劣。

磁动式断路器

• 磁动式断路器通过螺线管工作。它利用电磁来移动内部电枢，从而断开触点。
• 磁动式断路器在达到阈值电流后立即跳闸。
• 此类断路器适用于印刷电路板应用和控制应用中的脉冲断开。

液力延迟磁动式断路器

• 磁动式断路器常常与液压延迟相结合，以承受电流浪涌。
• 液压延迟断路器最好安装在水平位置，以防重力影响螺线管的移动；否则可能需要降低额定值。

磁动式断路器工作原理如下：

• 流过线圈的电流使得活塞/磁芯向上或向下移动。当超过额定电流时，磁芯就会超过某一点。当磁芯位于“极片”附近的一定距离内时，电磁力就足以移动电枢，从而断开触点。
• 液压延迟磁动式断路器采用了完全相同的设计，但有一个关键区别。在简单的磁动式断路器中，磁芯会暴露在空气中，以减少磁芯运动的阻力。
• 液压延迟零件的磁芯周围会包裹某种液体。液体的粘度越大，延迟时间就越长。

热磁式断路器

• 热磁式断路器结合了热敏和磁动式断路器的优点：一方面，延迟功能可避免正常浪涌电流造成的干扰跳闸；另一方面，可借助高电流脉冲实现快速响应。
• 高过电流导致螺线管快速触发释放机制，而热机制则响应长时间的低值过载。
• 此类断路器具有两步跳闸配置的特点，为昂贵的电气系统提供快速短路保护，同时将系统运行中断的风险降到最低。

热磁式断路器工作原理如下：

• 热磁式断路器结合了这两种不同的技术。
• 如果在等于或低于额定电流的电流下工作，双金属元件便不会移动，并且磁芯也不会拉得足够远以使断路器跳闸（图A）。
• 然而，与热敏式断路器类似，环境温度的大幅升高和/或电流的小幅增加都可能会使断路器跳闸（图B）。
• 此外，与磁动式断路器类似的是，如果电流迅速增加到一定程度，那么断路器就会立即跳闸（图C）。

• 在需要瞬间跳闸功能并且环境温度过高会对产品产生负面影响的情况下，热磁式断路器可凭借上述特性成为你的不二之选。

断路器的跳闸配置

以下基本截图展示了各类断路器的跳闸方式，供大家参考。

价格

在大多数情况下，热敏式断路器的成本无疑是最低的。位列其后的便是磁动式断路器。价格最高的是液压延迟磁动式断路器和热磁式断路器。然而，像密封、触点负载、材料组成、物理尺寸等规格都会对价格产生影响。

断路器选型时的常见错误

我们将断路器选型时，工程师常犯的六种错误归纳如下：

为应用选定错误类型的断路器

• 设计工程师最常犯的一个错误是为应用选定了错误的断路器技术。因此选型前，设计人员需要了解跳闸配置和断路器的运作环境。

指定过高的额定值可避免因励磁涌流或瞬态电流引起的干扰跳闸

• 工程师们习惯采用超大尺寸的保险丝来防止干扰跳闸。然而，却没有必要使用超大型的断路器。
• 与保险丝额定值不同，断路器额定值表示断路器在环境室温下能保持的最大电流。因此，10A断路器会保持10A的电流而不会引起干扰跳闸。事实上，具有慢跳闸配置的典型4A断路器能承受临时的10A电流浪涌而不会引起跳闸。
• 通常情况下，干扰跳闸是由与某些电气元件（主要是电机、变压器、螺线管和大电容）相关的励磁涌流引起的。在这种情况下，设计者需要指定带有延迟功能的断路器。

在设计中未考虑间距问题

• 在非温度补偿热敏式断路器之间需要保持建议的最小间距，这一点非常重要。
• 断路器之间通常仅需1mm的间距。如果没有这种微小的热间距，断路器就会升温并增加双金属跳闸机制的敏感度。
• 如果断路器必须相互接触，生产厂家的建议是将电流降至正常额定电流的80%（生产厂家规格书应该列出了具体的降值信息）。

降低额定值容易出现的失误

• 根据经验，断路器的额定负载应为100%。然而，一些应用需要断路器在高温或低温下连续工作。
• 在这些情况下，请遵循厂商的降额指南。例如，当需要10A保护的应用在50℃条件下工作时，就要求使用12A额定电流的热敏式断路器。

不必要地降低额定值

• 热敏式断路器的性能对环境温度的波动很敏感。在寒冷的环境中，它会在电流较高时跳闸，而在炎热的环境中又会在电流较低时跳闸。
• 工程师的一个常见错误是，认为在环境温度升高时有必要对热敏式断路器降额。
• 实际上，热敏式断路器会跟踪系统的性能需求，从而假设它暴露在相同的热源中。例如，电机绕组在90℃时比在20℃时需要更多的过热保护。冷电机需要更多的励磁涌流才能启动，因此在寒冷条件下，较长的延迟是有利的。

为高振动环境指定错误类型的断路器

• 通常，磁动式断路器的触发器是铰接的金属电枢，会因电磁线圈的移动而闭合。正由于这种设计，磁动式断路器（和液压磁动式断路器）特别容易受到振动的影响。
• 与之相反，典型的热敏式断路器由热致动器和机械锁存器组成。因此，热敏式断路器具有很强的抗冲击和振动能力。如果对某种应用而言，磁动式断路器是最适用的，则可使用推拉式致动器来提高其抗振性。这种类型的致动器带有锁存器设计。

更多关于电路保护的技术信息, 请查看：

• TVS管和齐纳二极管有什么区别
• 什么是打嗝模式/打嗝保护？
• 从保险丝的时间与电流特性,如何选择适当的保险丝?
• 保险丝性能与应用温度环境的关系
• 什么是ESD电容

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关键词: LED, 工作原理

问：LED灯带的类型

在Digi-Key官网, 我们可以找到许多不同类型的LED灯。当查找LED灯带的时候，我们通常可以看到有两种典型的类型。

• LED硬灯带或PCB灯带

这类灯带长度是固定的而且不易弯曲，一般在底部有焊盘用于连接导线。比如让灯带COM-12022。

这个灯带是以3个LED为一组的串并联方式组成的电路结构，这种结构可以允许灯带被剪成需要的长度。这种灯带可以使用它所需电压的额定恒压LED驱动器驱动，驱动电流与它所需电流相等或者更大；在长度和摆动电压确定以后，也可以使用精确电流的恒流驱动器进行驱动。

此外，还有一些预先接好线的固定灯带。如OVM12F3W7。

• 柔性LED灯带

我们也有一些柔性的灯带，像固定灯带那样在后面有可焊的焊盘。对于单独的LED灯来说，这个焊盘肯定是一个电源和一个地。

你可能也会遇到可寻址或者特殊的LED灯带，尽管这类灯带外形跟普通柔性LED灯带相似，但一般它们会有三个或更多的触点。

这些增加的触点是用来通信的。1138就是一款可寻址的LED灯带。这些灯带都有一个恒流驱动芯片内置在每个LED中，所以它只需要一个恒压驱动器。

每个LED可以单独寻址，使得LED照明的可能性无穷无尽。2836也是一个可寻址LED灯带，但是它除了红绿蓝三种灯光以外，还有白色灯光。

当查看任何柔性LED灯带时，通过描述确认灯带的长度很重要——不能通过照片确认。一些较短的零件可能与完整的卷轴有相同的制造商零件编号，但由于我们是从完整的一卷灯带上切割成较短的零件，如 1″ 或 2″ 灯带，所以最好在订购前进行验证。

更多关于LED技术信息, 请查看：

• 如何切割柔性LED灯带
• 了解如何避免LED被腐蚀
• LED新设计技巧和驱动器选择浅析
• LED支座
• 倒向安装SMD LED

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作者：Kevin Chow

关键词: 放大器, 工作原理

引言

运算放大器（或简称运放）是许多电子设计的基本组成部分之一，其应用范围从简单的小信号放大到复杂的模拟信号处理，用途广泛，几乎可以应用于大多数设计。虽然运放原理很简单，但在应用中需要考虑很多的参数。当然，新手是无法掌握原理的，即使是经验丰富的工程设计人员在选择材料时也可能会忽略一些设计的参数，从而影响产品的工作。

下面就让我们重温一下有关运放的基础电子知识点。在看实际运放的规格参数之前，我先介绍一下理想的运放模型（这对以后的理解很重要）。当然，理想的模型只是为了简化设计中涉及的数学运算，但实际上并没有那么简单。为了清楚起见，现在让我们看看一些不同的重要参数。

反馈

每个运放都可以进行反馈，让我们从下图1的典型负反馈原理图开始了解。

负反馈是将输出信号的一部分“反馈”到输入端的过程，但要使反馈为负，必须使用外部电路和附加器件将输出反馈到运放输入的负端(或“反相输入”端)，目的是使输入端之间的差分输入电压接近于零， 以下面的公式（1）表示

开环增益

开环增益（A_VOL）是放大器在没有闭合反馈环路情况下的增益，因此称为“开环”。对于精密运算放大器，该增益可能非常高，能达到大约为 160dB或以上。从直流到主导极点转折频率，该增益表现平坦。此后，增益以6dB/倍频程（20 dB/10倍频程）下降（注：8倍频程指频率增加一倍，10倍频程指频率增加十倍）。 如果运算放大器只有一个单极点，则开环增益继续以该速率下降，如图2 （单极点响应）所示。

实际上，一般运算放大器有一个以上的极点，如下图3所示。

在图3所示，第二个极点会使开环增益下降至12dB/倍频程（40dB/10倍频程）的速率增加一倍。如果开环增益在达到第二个极点的频率之前降0dB以下，则运算放大器在任何增益下均会无条件地保持稳定。在规格书上，一般将这种情况称为“单位增益稳定（Unity Gain Stable）”。具体情况，可以参考ADI 公司 ADA4857 的规格书中，有关开环增益频率响应的图表（图4）。

注意: 开环增益的不稳定状态

如果达到第二个极点的频率且闭环增益大于 1（0db），则放大器可能不稳定。有些运算放大器设计只是在较高闭环增益下才保持稳定， 这就是所谓的非完全补偿运算放大器。然而，运算放大器可能在较高频率下拥有更多额外的寄生极点，前两个极点一般都是最重要的。

开环增益并不是一项精确控制的参数。其范围相对较大，在规格参数中，多数情况下均表示为典型值而非最小/最大值。有些情况下，一般指高精度运算放大器，该参数会有一个最小值。另外，开环增益可能因输出电压电平和负载而变化。这就是所谓的开环增益非线性度。该参数与温度也有一定的相关性。一般来说，这些影响很小，多数情况下都可以忽略不计。事实上，一些运算放大器的数据手册中未必包含开环增益非线性度。

闭环增益

闭环增益指放大器在反馈环路闭合时的增益。闭环增益有两种形式：信号增益和噪声增益。

• 信号增益和噪声增益

这样，一般情况下如果开环增益很高，则电路的闭环增益大多数是噪声增益。

请留意，用于确定运算放大器稳定性的是噪声增益，而非信号增益。大多数现代运算放大器都能在单位增益下稳定，但某些特殊用途的放大器无法做到这一点。与标准单位增益稳定型运算放大器相比，非完全补偿运算放大器可提供独特的优势，比如更低的噪声电压和更宽的带宽。

增益带宽积

对于单极点响应，开环增益6dB/8倍频程下降。这就是说，如果我们将频率增加一倍，增益将下降到一半。相反，如果使频率减半，则开环增益会增加一倍。如图6所示，结果产生了所谓的增益带宽积。如果用频率乘以开环增益，其积始终为一个常数，但这积必须处于整条曲线中以6dB/8倍频程下降的部分。这样，我们就得到了一个品质因素，可以据此决定某个运算放大器是否适合特定的应用。请注意，增益带宽积仅对电压反馈 (VFB)运算放大器有意义。

例如，如果我们有一个需要闭环增益为10和100kHz带宽的应用，那么我们是否需要一个至少1MHz增益带宽积的运算放大器?

这样解释有点过分简化。在现实中，由于增益带宽积的可变性，以及在闭环增益与开环增益相交的位置，响应实际上要下降3dB，而且最好应留一点额外余量。在上述应用中，增益带宽积为1MHz的运算放大器只是最少要求。

压摆率

压摆率（SR）是指放大器输出因放大器输入突然变化而发生变化的速率，其测量单位通常是V/μs。大信号最大工作频率可以通过下式确定：

f = SR/ 2πVp（其中Vp为峰值电压）

某些放大器具有非常大的压摆率，试图以漂亮的数字来获得工程师的青睐，但有时未必真正用的上，因为最大工作频率受到失真的限制。最简单的判断方法是查看失真曲线，了解具体应用在无法接受的失真时对应的频率是多少。同样，清楚知道系统要求，这点也是至关重要的。然后，将该频率代入压摆率计算公式，计算到底需要多大的压摆率。

带宽

有些人认为带宽越高越好，但经验丰富的模拟工程师知道，带宽足够适合应用要比带宽过高更好。评估任何参数的最佳方法是翻阅数据手册，查看特性曲线，只有这样才能真正了解放大器的特性。带宽曲线中是否有过高的峰化？有些制造商将这种现象说成是–3dB带宽较大，但它也可能说明器件存在稳定性问题。即使–3dB带宽看起来较大，但放大器的增益平坦度可能会因为峰化而降低。因此，带宽能够满足您的需求即可，带宽较宽的放大器需要更加注意稳定性和PCB布局布线。

输出类型

通常，运算放大器的“输出类型”是根据放大器的输出结构和应用类别来分类的，在Digi-Key网站內“线性器件 – 放大器 – 仪器、运算放大器、缓冲放大器”产品类别中已经列出不同输出类型，方便大家挑选合适的运算放大器。

“输出类型”大致可分为:

• 差分: 这类运算放大器具有正输出和负输出， 它将两个输入端电压的差以一固定增益放大
• 轨对轨: 这类运算放大器（或称满摆幅）的输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值（通常在毫伏范围内），这类型在运算放大器中是最普遍。
• 漏极开路：这类运算放大器的输出连接到 IC 内部晶体管的基极。 因此，运放工作时，晶体管的漏极导通：只能吸收电流，如图8所示。 这类运放一般用于电流检测，可应用范围不多，所以市场上的选择较少。

• 推挽式：推挽式放大器是指使用NPN晶体管和PNP晶体管的放大器。晶体管相互匹配，因此它们具有大致相同的增益、速度和电流规格。晶体管交替工作在信号的正、负两个半周期成一推一挽形式的功率放大器。不过和漏极开路一样，应用范围并不大，国外也没有多少厂商会开发这种输出级运放，所以市场上的选择比较少。

更多关于运算放大器的参数信息，这里有一篇很好的帖子分享给大家。

运算放大器选料上的考虑

工程师选择合适的运算放大器了解转换器的参数非常重要。例如上面提到的“增益带宽积”、“输出类型”等要求，甚至还要考虑封装尺寸。如果可以有一个既简单又清晰的筛选列表，总结了大部分主要参数 ，通过它可以灵活地选择合适放大器的参数，这一定会提升工程师们选料的效率。

这样的工具，Digi-Key已经为大家提供了——现在，工程师只需在Digi-Key官网搜索引擎中输入关键词「opamp」或「运算放大器」，进入「线性器件 – 放大器 – 仪器、运算放大器、缓冲放大器」后，各种运放的详细参数便可一目了然。

总结

通过本文，我们一起重温了运算放大器的各个基本参数和应用原理。通过了解运算放大器的增益、压摆率、带宽、输出类型等主要参数，深入理解其工作原理和应用领域，并介绍了如何利用清晰易用的Digi-Key运算放大器产品参数筛选列表，满足工程师的设计所需。今后，我们将会深入讨论运算放大器 、比较器和仪表放大器的区别及应用要求，请继续关注后续的分享文章。

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更多有关运算放大器的文章，请点击以下链接，也欢迎大家在文未留言讨论。

• 使用DK参数搜索功能选择运算放大器
• 如何计算运算放大器所需的压摆率
• 运算放大器输出电压反相
• 如何高效选择和使用精密运算放大器
• 高压运算放大器选择和应用

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