Systemkomplexität mit Mixed-Signal-Sensor-Interface-ICs reduzieren

Das Design von Sensorschnittstellen muss nicht übermäßig komplex sein, und doch ist es oft genau das. Sensorschnittstellen können spezialisierte ASICs für bestimmte Sensortypen, kundenspezifisch entwickelte analoge Frontends oder eine einfache digitale Schnittstelle für Sensoren mit digitalem Ausgang erfordern. Bis zu einem gewissen Grad hat das IoT-Segment der Halbleiterindustrie dies erkannt, und viele Sensorbausteine haben sich auf I2C als gängiges Protokoll zur Erfassung von Sensordaten angenähert. Dennoch gibt es viele Sensorbausteine, die I2C nicht nutzen können und weiterhin einen ADC-Eingang oder ein kundenspezifisches analoges Frontend benötigen.

Anstatt analoge Frontends aus diskreten Komponenten aufzubauen, bieten programmierbare Mixed-Signal-Prozessoren einen schnelleren Weg nach vorn. Diese Bausteine stellen einen anpassbaren analogen Verarbeitungsblock mit digitaler Logik bereit und sind damit eine ausgezeichnete Lösung für das Design kundenspezifischer Multi-Sensor-Schnittstellen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie das alles funktioniert.

Was für Multi-Sensor-Schnittstellen benötigt wird

Der gängige Ansatz für das Design von Multi-Sensor-Schnittstellen konzentriert sich typischerweise auf einen Mikrocontroller, der für die Verarbeitung und Erfassung von Daten von Sensoren mit digitalen Ausgängen verantwortlich ist, meist über I2C oder SPI. Diese Protokolle sind in vielen Sensor-Ökosystemen zum Standard geworden, weil sie den Weg der Datenerfassung vereinfachen: Die MCU fragt digitale Sensoren zyklisch ab oder empfängt Interrupts von ihnen, liest Register über einen seriellen Bus und verarbeitet die resultierenden Daten in der Firmware. Für Systeme, die nur digitale Sensoreingänge benötigen, ist diese Architektur unkompliziert und wird von den meisten MCU-Familien gut unterstützt.

Die meisten realen Sensorsysteme müssen jedoch auch analoge Signale erfassen, die vor der Digitalisierung aufbereitet werden müssen. Das bedeutet, dass das System einen ADC benötigt und davor Verstärkerschaltungen zur Signalkonditionierung. Instrumentenverstärker, Transimpedanzverstärker oder einfache Verstärkerstufen sind je nach Sensortyp und Ausgangsbereich üblich. Auch eine Filterung ist in der Regel notwendig, um Rauschen zu unterdrücken, bevor das Signal den Eingang des Wandlers erreicht.

Der ADC selbst bringt zusätzlichen Designaufwand mit sich. Unabhängig davon, ob es sich um einen eigenständigen Wandler oder einen in die MCU integrierten ADC handelt, erfordert der Analogeingang oft eine Treiberschaltung, um dem Sample-and-Hold-Netzwerk die richtige Quellimpedanz bereitzustellen. Ohne geeignete Ansteuerung kann die Akquisitionszeit des ADC unzureichend sein, was zu Verstärkungsfehlern oder Nichtlinearitäten führt. Sobald das Signal digitalisiert ist, übernimmt die Anwendungs-Firmware der MCU die weitere Verarbeitung, Kalibrierung und Kommunikation. Das Ergebnis ist ein System mit mehreren diskreten Analogstufen, von denen jede eine sorgfältige Komponentenauswahl, Layout-Beachtung und Validierung erfordert – und das alles, bevor die Daten überhaupt den digitalen Bereich erreichen, in dem die MCU darauf reagieren kann.

Typischer Ansatz mit einer MCU

Die Standardarchitektur zur Erfassung von Sensordaten stellt eine MCU in den Mittelpunkt des Systems. Die MCU erkennt digitale Sensorausgänge direkt über I2C- oder SPI-Busse und erfasst analoge Signale über einen integrierten ADC-Pin. Ein Blockdiagramm dieser Architektur zeigt die MCU, die auf der einen Seite mit mehreren digitalen Sensoren verbunden ist und auf der anderen Seite mit einer analogen Signalkonditionierungsschaltung, die ihren ADC-Eingang speist.

Diese Topologie macht MCUs und andere digitale Prozessoren zu einer ausgezeichneten Wahl für die Erfassung von Daten von Sensoren mit digitalen Ausgängen. Die seriellen Peripherieschnittstellen sind ausgereift, gut dokumentiert und werden von umfangreichen Treiberbibliotheken unterstützt. Allerdings bieten MCUs nur sehr wenig Unterstützung für analoge Signale innerhalb desselben Chips. Der integrierte ADC stellt zwar eine Wandlungsfunktion bereit, aber nicht die Frontend-Konditionierung, die die meisten analogen Sensoren benötigen. Es gibt keine programmierbare Verstärkung, keine konfigurierbare Filterung und kein flexibles analoges Routing innerhalb der MCU selbst.

Unabhängig davon, ob ein integrierter ADC einer MCU oder ein externer eigenständiger ADC zur Erfassung der analogen Signale verwendet wird, steht der Entwickler weiterhin vor demselben analogen Designproblem auf Leiterplattenebene:

• Auswahl von Operationsverstärkern und Festlegung der Verstärkungswiderstände für den erforderlichen Signalbereich
• Entwurf von Anti-Aliasing-Filtern, abgestimmt auf die Abtastrate des ADC
• Layout des analogen Frontends mit angemessener Berücksichtigung von Rauschen, Masseführung und Bauteiltoleranzen

Das analoge Frontend bleibt unabhängig davon, wie leistungsfähig die digitale Verarbeitungsseite des Systems ist, ein diskretes Designproblem auf Leiterplattenebene.

Ein besserer Ansatz mit programmierbarer Mixed-Signal-Verarbeitung

Programmierbare Mixed-Signal-Prozessoren bieten eine grundlegend andere Architektur für Sensorschnittstellen. Anstatt diskrete analoge Konditionierungsschaltungen auf der Leiterplatte zu entwerfen und dann das konditionierte Signal in ein separates digitales Bauteil zu führen, implementiert ein programmierbarer Mixed-Signal-Prozessor das analoge Frontend direkt im Chip. Der Entwickler konfiguriert interne Analogblöcke wie Operationsverstärker, Analogkomparatoren, Spannungsreferenzen und Lookup-Tabellen per Software statt über die Auswahl physischer Komponenten und das Leiterplattenlayout. Das Ergebnis ist gewissermaßen ein CPLD für analoge Signale: ein rekonfigurierbares Bauteil, bei dem der analoge Signalverarbeitungspfad definiert, geändert und erneut verifiziert werden kann, ohne dass ein neues Board-Layout erforderlich ist.

Diese Programmierbarkeit reduziert die Systemkomplexität direkt. Verstärkerstufen, Schwellenwertdetektoren und einfache Filterfunktionen, die andernfalls mehrere diskrete Komponenten und eine sorgfältige Leiterplattenführung erfordern würden, werden in einem einzigen IC zusammengefasst. Die Einsparung an Leiterplattenfläche kann im Vergleich zu gleichwertigen diskreten Lösungen bis zu 90 % betragen, und der Design-Iterationszyklus verkürzt sich erheblich, da Änderungen in der Konfigurationssoftware statt in Schaltplan- und Layout-Revisionen erfolgen.

Renesas GreenPAK ist eine Familie programmierbarer Mixed-Signal-ICs, die Analogblöcke (Operationsverstärker, Analogkomparatoren) mit digitalen Logikblöcken (LUTs, Flip-Flops, Zähler, Verzögerungsgeneratoren) in einem einzigen Gehäuse mit kleiner Grundfläche kombiniert. GreenPAK-Bausteine sind je nach Variante einmal programmierbar oder umprogrammierbar und in Gehäusen erhältlich, die nur 1,0 mm × 1,2 mm groß sind. Zu den internen Ressourcen, die in einem typischen GreenPAK-Baustein verfügbar sind, gehören:

• Konfigurierbare Operationsverstärker mit programmierbarer Verstärkung
• Analogkomparatoren mit auswählbaren Schwellenwerten und Hysterese
• Digitale LUTs, Flip-Flops, Zähler und Verzögerungsgeneratoren
• I2C- oder SPI-Kommunikationsschnittstellen zur Systemintegration

Entwickler können mit der Go Configure-Software von Renesas ein analoges Frontend für eine GreenPAK-Komponente aufbauen und simulieren. Dieses Tool bietet eine grafische Designumgebung, in der interne analoge und digitale Ressourcen visuell verbunden, auf funktionale Korrektheit simuliert und anschließend über ein Entwicklungskit direkt in das Bauteil programmiert werden.

Go Configure-Softwareumgebung mit einem Renesas GreenPAK-Design.

Wenn Sie mehr erfahren möchten, werfen Sie einen Blick auf die GreenPAK-Komponenten und Referenzbeispiele.

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