Reduzca la complejidad del sistema con CI de interfaz de sensores de señal mixta

Los diseños de interfaces de sensores no tienen por qué ser excesivamente complejos y, sin embargo, a menudo lo son. Las interfaces de sensores pueden requerir ASIC especializados para ciertos tipos de sensores, front ends analógicos diseñados a medida o una interfaz digital simple para sensores con salida digital. Hasta cierto punto, el segmento IoT de la industria de los semiconductores ha reconocido esto, y muchos dispositivos sensores han convergido en I2C como el protocolo más popular para capturar datos de sensores. Aun así, hay muchos dispositivos sensores que no pueden usar I2C y seguirán requiriendo una entrada ADC o un front end analógico personalizado.

En lugar de construir front ends analógicos a partir de componentes discretos, los procesadores programables de señal mixta ofrecen una vía más rápida. Estos componentes proporcionan un bloque de procesamiento analógico personalizable con lógica digital, lo que los convierte en una excelente solución para diseñar interfaces personalizadas para múltiples sensores. Vea cómo funciona todo en este artículo.

Qué se necesita para las interfaces multisensor

El enfoque habitual para diseñar interfaces multisensor suele centrarse en un microcontrolador responsable de procesar y capturar datos de sensores con salidas digitales, normalmente a través de I2C o SPI. Estos protocolos se han convertido en estándar en muchos ecosistemas de sensores porque simplifican la ruta de adquisición de datos: el MCU interroga o recibe interrupciones de sensores digitales, lee registros a través de un bus serie y procesa los datos resultantes en el firmware. Para sistemas que solo requieren entradas de sensores digitales, esta arquitectura es directa y cuenta con amplio soporte en la mayoría de las familias de MCU.

Sin embargo, la mayoría de los sistemas de sensores del mundo real también necesitan capturar señales analógicas, que deben acondicionarse antes de la digitalización. Esto significa que el sistema requiere un ADC y, antes de ese ADC, circuitos amplificadores para el acondicionamiento de señal. Los amplificadores de instrumentación, los amplificadores de transimpedancia o las etapas simples de ganancia son habituales según el tipo de sensor y el rango de salida. También suele ser necesario el filtrado para rechazar el ruido antes de que la señal llegue a la entrada del convertidor.

El propio ADC introduce una carga adicional de diseño. Ya sea un convertidor independiente o uno integrado en el MCU, la entrada analógica suele exigir un circuito driver que presente la impedancia de fuente correcta a la red de muestreo y retención. Sin una excitación adecuada, el tiempo de adquisición del ADC puede ser insuficiente, lo que provoca errores de ganancia o no linealidad. Una vez digitalizada la señal, el firmware de aplicación del MCU se encarga del procesamiento posterior, la calibración y la comunicación. El resultado es un sistema con múltiples etapas analógicas discretas, cada una de las cuales requiere una cuidadosa selección de componentes, consideraciones de layout y validación, todo ello antes de que los datos lleguen siquiera al dominio digital donde el MCU puede actuar sobre ellos.

Enfoque típico con un MCU

La arquitectura estándar para la adquisición de datos de sensores sitúa un MCU en el centro del sistema. El MCU detecta directamente las salidas de sensores digitales a través de buses I2C o SPI y, en el caso de señales analógicas, las captura mediante un pin ADC integrado. Un diagrama de bloques de esta arquitectura muestra al MCU conectado a múltiples sensores digitales por un lado y, por el otro, a la circuitería de acondicionamiento de señal analógica que alimenta su entrada ADC.

Esta topología hace que los MCU y otros procesadores digitales sean opciones excelentes para capturar datos de sensores con salidas digitales. Las interfaces serie para periféricos son maduras, están bien documentadas y cuentan con amplias bibliotecas de controladores. Sin embargo, los MCU ofrecen muy poco soporte para señales analógicas dentro del mismo chip. El ADC integrado proporciona una función de conversión, pero no aporta el acondicionamiento de front end que requieren la mayoría de los sensores analógicos. No hay ganancia programable, ni filtrado configurable, ni enrutamiento analógico flexible dentro del propio MCU.

Tanto si se utiliza un ADC integrado del MCU como un ADC externo independiente para capturar las señales analógicas, el diseñador sigue enfrentándose al mismo problema de diseño analógico a nivel de placa:

• Seleccionar amplificadores operacionales y ajustar resistencias de ganancia para el rango de señal requerido
• Diseñar filtros antialiasing adaptados a la frecuencia de muestreo del ADC
• Realizar el layout del front end analógico prestando la debida atención al ruido, la puesta a tierra y las tolerancias de los componentes

El front end analógico sigue siendo un problema de diseño discreto a nivel de placa, independientemente de lo capaz que sea el lado de procesamiento digital del sistema.

Un mejor enfoque con procesamiento programable de señal mixta

Los procesadores programables de señal mixta ofrecen una arquitectura fundamentalmente distinta para las interfaces de sensores. En lugar de diseñar circuitos discretos de acondicionamiento analógico en la PCB y luego enrutar la señal acondicionada hacia un dispositivo digital separado, un procesador programable de señal mixta implementa el front end analógico dentro del propio chip. El diseñador configura bloques analógicos internos, como amplificadores operacionales, comparadores analógicos, referencias de tensión y tablas de consulta, mediante software en lugar de hacerlo mediante la selección de componentes físicos y el layout de la placa. El resultado es, en la práctica, un CPLD para señales analógicas: un dispositivo reconfigurable en el que la ruta de procesamiento analógico puede definirse, modificarse y volver a verificarse sin tener que rehacer la placa.

Esta programabilidad reduce directamente la complejidad del sistema. Las etapas de ganancia, los detectores de umbral y las funciones simples de filtrado que, de otro modo, requerirían múltiples componentes discretos y un enrutamiento cuidadoso de la PCB, se integran en un único IC. El ahorro de área de placa puede alcanzar hasta un 90 % en comparación con soluciones discretas equivalentes, y el ciclo de iteración del diseño se acorta considerablemente porque los cambios se realizan en el software de configuración en lugar de en revisiones del esquema y del layout.

Renesas GreenPAK es una familia de IC programables de señal mixta que combina bloques analógicos (amplificadores operacionales, comparadores analógicos) con bloques de lógica digital (LUT, biestables, contadores, generadores de retardo) en un único encapsulado de pequeño formato. Los dispositivos GreenPAK son de programación única o reprogramables según la variante, y están disponibles en encapsulados tan pequeños como 1,0 mm × 1,2 mm. Los recursos internos disponibles en un dispositivo GreenPAK típico incluyen:

• Amplificadores operacionales configurables con ganancia programable
• Comparadores analógicos con umbrales e histéresis seleccionables
• LUT digitales, biestables, contadores y generadores de retardo
• Interfaces de comunicación I2C o SPI para la integración del sistema

Los diseñadores pueden construir y simular un front end analógico para un componente GreenPAK usando el software Go Configure de Renesas. Esta herramienta proporciona un entorno de diseño gráfico en el que los recursos analógicos y digitales internos se conectan visualmente, se simulan para comprobar su funcionamiento correcto y luego se programan directamente en el dispositivo a través de un kit de desarrollo.

Entorno de software Go Configure que muestra un diseño de Renesas GreenPAK.

Para obtener más información, eche un vistazo a los componentes GreenPAK y a los ejemplos de referencia.

• Obtenga más información sobre los componentes GreenPAK
• Vea las soluciones de expansor de E/S GreenPAK

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