Beste Sensor-Hub-MCU-Optionen mit hoher ADC-Kanalanzahl

Ein industrieller Kunde bat mich kürzlich, beim Entwurf einer neuen Version einer Platine zur Anbindung einer großen Anzahl von Sensoren zu helfen. Ziel war es, drei Platinen mit separaten Funktionen und Komponenten in eine einzige Platine zu konsolidieren, die alle Schnittstellen für die Datenerfassung bereitstellte. Das brachte mich dazu, über die Art des MCUs nachzudenken, die man für einen Sensorhub benötigen könnte, und wie viele Kanäle man in einen einzigen MCU integrieren kann.

Wie sich herausstellt, können leistungsstarke MCUs eine ziemlich gute Anzahl von ADCs mit angemessen hoher Auflösung haben, die man für die Sensordatenerfassung benötigt. Wenn Sie keine Steuerplatine für beispielsweise kohärente optische Messungen bei sehr niedrigem Signalpegel und SNR-Wert bauen, bieten die großen Hersteller viele Optionen für MCU-Platinen mit hoher I/O-Anzahl und hoher ADC-Kanalanzahl. Hier sind einige Optionen, die Sie in Ihrem nächsten Sensorhub-Board oder einem ähnlichen Produkt verwenden können.

Hohe ADC-Kanalanzahl in Ihrem Sensor-MCU

Die Schnittstelle zwischen der analogen Welt und der digitalen Welt erfordert Sensoren, und diese Sensoren benötigen eine Möglichkeit, mit einem Prozessor auf Ihrer Platine zu kommunizieren. Hier kommt ein Mehrkanal-ADC ins Spiel, der Ihnen mehrere Kanäle zum Sammeln und Verarbeiten von Daten bietet. Wenn Sie ein System mit kleinem Platzbedarf bauen müssen, können Sie einen MCU mit integriertem ADC verwenden. Obwohl sie nicht die leistungsfähigsten in Bezug auf die Rechenleistung sind, enthalten viele MCUs zahlreiche Peripheriegeräte, die für die Schnittstelle mit anderen digitalen Komponenten und analogen Sensoren benötigt werden.

MCUs mit hoher ADC-Kanalanzahl bieten Ihnen besondere Vorteile in einer Reihe von Mixed-Signal-Systemen. Anstatt einen externen Mehrkanal-ADC zu verwenden, hier sind einige Gründe, warum Sie einen MCU mit hoher Kanalanzahl verwenden möchten:

• Mäßige Taktrate: MCUs mit hoher Kanalanzahl bei ACDs neigen auch dazu, eine hohe Taktrate zu haben, um die erforderliche Abtastrate zu liefern, sodass sie auch konvertierte Daten mit mäßig komplexen Algorithmen schnell verarbeiten können.

• Abtastrate: Die meisten 16-Bit- oder 32-Bit-MCUs mit hoher ADC-Kanalanzahl bieten immer noch eine Abtastrate von ~Msps. Dies ermöglicht eine genaue Erfassung von analogen Signalen bis zu ~MHz-Frequenzen.

• Peripheriegeräte und Schnittstellen: Wenn Ihr Sensor nicht direkt an Ihren ADC angeschlossen werden muss, bieten MCUs standardmäßige Schnittstellen mit niedriger Geschwindigkeit zum Sammeln von Daten aus anderen Peripheriegeräten.

Abgesehen von Schnittstellen mit niedriger und hoher Geschwindigkeit, ADC-Kanalanzahl und Taktraten/Abtastraten sind zwei wichtige Spezifikationen für das Design von Sensorknoten der integrierte Speicher und der Energieverbrauch. Für den Energieverbrauch möchten Sie eine Komponente mit Schlafmodus und bedingter Aufwachsteuerung, da dies hilft, Energie zu sparen.

Schließlich haben MCUs mit einer hohen Anzahl an ADC-Kanälen diese manchmal über mehrere ADCs verteilt, die parallel laufen, anstatt eines einzelnen ADCs mit allen verfügbaren Kanälen. Die Verwendung mehrerer ADCs ermöglicht es, Interleaving zu implementieren, bei dem die Abtastrate durch Anwenden einer Phasenverschiebung auf den Ausgang jedes ADCs erhöht wird. Mit anderen Worten, wenn die Komponente N ADCs enthält, dann ermöglicht das Interleaving, die Abtastrate um den Faktor N zu erhöhen.

Einige MCUs mit hoher ADC-Kanalanzahl

Microchip, PIC32MZ Serie

Die PIC32MZ Serie von MCUs von Microchip sind Teil der Embedded Connectivity (EC) Familie des Unternehmens. Diese Komponenten bieten bis zu 48 analoge Kanäle mit 10-Bit-Auflösung, 1 MSPS und unabhängigen externen ADC-Triggerquellen. Der 32-Bit ARM Cortex M4 Kern arbeitet mit bis zu 200 MHz. Verschiedene Gehäuse enthalten eine Reihe verschiedener I/O-Anzahlen für die Schnittstellen zu Peripheriegeräten sowie Standard-Schnittstellen (I2C/SPI/I2S) und EBI- oder PMP-Grafikschnittstellen. Zu den Hochgeschwindigkeitsschnittstellen gehören ein USB 2.0-Controller und ein 10/100 Ethernet MAC mit MII- und RMII-Schnittstelle.

PIC32MZ Serie Kernblockdiagramm. Aus dem PIC32MZ series MCU Datenblatt.

STMicroelectronics, STM32F405xx und STM32F407xx

Die STM32 Serie von 32-Bit MCUs von STMicroelectronics ist neben den Atmel MCUs (bekannt durch Arduino) wohl die beliebteste MCU auf dem Markt. STM32F405xx und STM32F407xx MCUs enthalten 3 eingebettete ADCs, jeder mit 16 Kanälen und 12-Bit-Auflösung. Die Abtastung erfolgt mit bis zu 2,4 Msps und 30 MHz Flash-Zugriff mit VDD = 3,0 bis 3,6 V (60 MHz Vollleistungstaktrate). Zusätzlich können die ADCs in diesen Komponenten im Interleaved-Modus mit 7,2 Msps und 24 Kanälen betrieben werden. Diese beiden Komponenten enthalten eine Reihe von Standard-Schnittstellen (SPI/I2C/UART), bis zu 140 I/Os, USB 2.0 PHY und 10/100 Ethernet MAC.

Texas Instruments, TM4C123x Serie

Die TM4C123x Serie von MCUs von Texas Instruments umfasst bis zu 24 ADC-Kanäle mit 12-Bit-Auflösung bei einer Abtastrate von bis zu 2 Msps. Diese Komponente läuft auf einem ARM Cortex M4F Kern (120 MHz Taktrate) mit bis zu 1 MB Flash und 256 KB internem RAM. Für den Zugriff auf Peripheriegeräte und andere Sensoren umfassen andere Schnittstellen UART, I2C, SPI und CAN sowie 40 PWM-Ausgänge. Enthalten ist ein USB 2.0 PHY und 10/100 Ethernet MAC. Die hohe Abtastrate, Auflösung und ADC-Kanalanzahl in dieser Serie von MCUs macht sie zu einer ausgezeichneten Wahl für Sensorknoten in Fahrzeugen, industriellen Einstellungen, Robotik und Mensch-Maschine-Schnittstellen. Eine vollständige Liste der Funktionen wird im Blockdiagramm der TM4C123x Serie unten gezeigt.

Blockdiagramm des TM4C123x. Aus dem Datenblatt-Fehlerbericht des TM4C123x MCU.

Weitere Komponenten für das Design von Sensor-Hubs

Zusätzlich zu den eigentlichen Sensoren benötigen Sie in Ihrem Design weitere Komponenten, um eine stabile Erfassung von mehreren Sensoren zu gewährleisten. Drahtlose Konnektivität und Netzwerk-/Computerschnittstellen sind ebenfalls sehr wichtig, da Sensor-Hubs in ein größeres Ökosystem integriert werden müssen. Darüber hinaus gibt es einige Komponenten zur Signalakquisition und -konditionierung, die Sie verwenden können, um eine genaue Erfassung zu gewährleisten.

• Drahtlose Transceiver (WiFi, Bluetooth usw.)

• Schaltregler oder LDO

• Verstärker-ICs für schwache Signale

MCU-gesteuerte Sensorknoten benötigen eine breite Palette von Komponenten, und Sie können die fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen von Octopart nutzen, um die Teile zu finden, die Sie benötigen. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart verwenden, haben Sie Zugriff auf Daten von Distributoren und Spezifikationen von Teilen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit linearen integrierten Schaltkreisen, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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