Réduisez la complexité du système grâce aux circuits intégrés d’interface de capteurs mixtes analogiques-numériques

Les conceptions d’interfaces de capteurs n’ont pas besoin d’être excessivement complexes, et pourtant c’est souvent le cas. Les interfaces de capteurs peuvent nécessiter des ASIC spécialisés pour certains types de capteurs, des frontaux analogiques conçus sur mesure, ou une simple interface numérique pour les capteurs à sortie numérique. Dans une certaine mesure, le segment IoT de l’industrie des semi-conducteurs l’a bien compris, et de nombreux capteurs ont convergé vers I2C comme protocole privilégié pour l’acquisition des données. Il existe néanmoins encore de nombreux capteurs qui ne peuvent pas utiliser I2C et qui nécessitent toujours une entrée ADC ou un frontal analogique personnalisé.

Au lieu de construire des frontaux analogiques à partir de composants discrets, les processeurs programmables à signaux mixtes offrent une voie beaucoup plus rapide. Ces composants fournissent un bloc de traitement analogique personnalisable avec de la logique numérique, ce qui en fait une excellente solution pour concevoir des interfaces multi-capteurs sur mesure. Découvrez dans cet article comment tout cela fonctionne.

Ce qu’il faut pour les interfaces multi-capteurs

L’approche courante pour concevoir des interfaces multi-capteurs s’articule généralement autour d’un microcontrôleur chargé de traiter et de collecter les données de capteurs à sorties numériques, le plus souvent via I2C ou SPI. Ces protocoles sont devenus des standards dans de nombreux écosystèmes de capteurs, car ils simplifient la chaîne d’acquisition des données : le MCU interroge les capteurs numériques ou reçoit leurs interruptions, lit les registres via un bus série et traite les données obtenues dans le firmware. Pour les systèmes qui ne nécessitent que des entrées de capteurs numériques, cette architecture est simple et bien prise en charge par la plupart des familles de MCU.

Cependant, la plupart des systèmes de capteurs du monde réel doivent également acquérir des signaux analogiques, qui doivent être conditionnés avant la numérisation. Cela signifie que le système a besoin d’un ADC et, en amont de cet ADC, de circuits d’amplification pour le conditionnement du signal. Les amplificateurs d’instrumentation, les amplificateurs transimpédance ou de simples étages de gain sont courants selon le type de capteur et la plage de sortie. Un filtrage est également généralement nécessaire pour rejeter le bruit avant que le signal n’atteigne l’entrée du convertisseur.

L’ADC lui-même ajoute une complexité de conception supplémentaire. Qu’il s’agisse d’un convertisseur autonome ou intégré au MCU, l’entrée analogique exige souvent un circuit de pilotage capable de présenter l’impédance de source correcte au réseau d’échantillonnage et de maintien. Sans un pilotage approprié, le temps d’acquisition de l’ADC peut être insuffisant, entraînant des erreurs de gain ou des non-linéarités. Une fois le signal numérisé, le firmware applicatif du MCU prend en charge le traitement complémentaire, l’étalonnage et la communication. On obtient ainsi un système composé de multiples étages analogiques discrets, chacun nécessitant une sélection rigoureuse des composants, une attention particulière au routage et une validation approfondie, avant même que les données n’atteignent le domaine numérique où le MCU peut les exploiter.

Approche typique avec un MCU

L’architecture standard d’acquisition de données capteurs place un MCU au centre du système. Le MCU détecte directement les sorties des capteurs numériques via des bus I2C ou SPI et, pour les signaux analogiques, les acquiert via une broche ADC intégrée. Un schéma fonctionnel de cette architecture montre le MCU connecté à plusieurs capteurs numériques d’un côté et, de l’autre, à des circuits de conditionnement analogique alimentant son entrée ADC.

Cette topologie fait des MCU et autres processeurs numériques d’excellents choix pour acquérir les données de capteurs à sorties numériques. Les interfaces périphériques série sont matures, bien documentées et prises en charge par de vastes bibliothèques de pilotes. Cependant, les MCU offrent très peu de prise en charge des signaux analogiques au sein de la même puce. L’ADC intégré assure la conversion, mais il ne fournit pas le conditionnement en entrée dont la plupart des capteurs analogiques ont besoin. Il n’y a ni gain programmable, ni filtrage configurable, ni routage analogique flexible à l’intérieur du MCU lui-même.

Que l’on utilise un ADC intégré au MCU ou un ADC autonome externe pour acquérir les signaux analogiques, le concepteur reste confronté au même problème de conception analogique au niveau de la carte :

• Sélectionner des amplificateurs opérationnels et définir les résistances de gain pour la plage de signal requise
• Concevoir des filtres anti-repliement adaptés à la fréquence d’échantillonnage de l’ADC
• Réaliser le routage du frontal analogique en accordant l’attention nécessaire au bruit, à la mise à la masse et aux tolérances des composants

Le frontal analogique reste un problème de conception discret au niveau de la carte, quelle que soit la puissance de la partie de traitement numérique du système.

Une meilleure approche avec le traitement programmable à signaux mixtes

Les processeurs programmables à signaux mixtes offrent une architecture fondamentalement différente pour les interfaces de capteurs. Au lieu de concevoir des circuits de conditionnement analogique discrets sur le PCB puis de router le signal conditionné vers un dispositif numérique séparé, un processeur programmable à signaux mixtes implémente le frontal analogique directement à l’intérieur de la puce. Le concepteur configure les blocs analogiques internes, tels que des amplificateurs opérationnels, des comparateurs analogiques, des références de tension et des tables de correspondance, par logiciel plutôt que par sélection de composants physiques et travail de routage sur la carte. Le résultat s’apparente en pratique à un CPLD pour signaux analogiques : un dispositif reconfigurable dans lequel la chaîne de traitement analogique peut être définie, modifiée et revérifiée sans nouvelle itération de carte.

Cette programmabilité réduit directement la complexité du système. Les étages de gain, détecteurs de seuil et fonctions de filtrage simples qui nécessiteraient autrement plusieurs composants discrets et un routage PCB soigné sont intégrés dans un seul CI. Le gain de surface sur la carte peut atteindre 90 % par rapport à des solutions discrètes équivalentes, et le cycle d’itération de conception est considérablement raccourci, car les changements se font dans le logiciel de configuration plutôt qu’au travers de révisions du schéma et du routage.

Renesas GreenPAK est une famille de CI programmables à signaux mixtes qui combine des blocs analogiques (amplificateurs opérationnels, comparateurs analogiques) et des blocs de logique numérique (LUT, bascules, compteurs, générateurs de délai) dans un seul boîtier de faible encombrement. Les dispositifs GreenPAK sont programmables une seule fois ou reprogrammables selon la variante, et ils sont disponibles dans des boîtiers aussi petits que 1,0 mm × 1,2 mm. Les ressources internes disponibles dans un dispositif GreenPAK typique comprennent :

• Des amplificateurs opérationnels configurables avec gain programmable
• Des comparateurs analogiques avec seuils et hystérésis sélectionnables
• Des LUT numériques, bascules, compteurs et générateurs de délai
• Des interfaces de communication I2C ou SPI pour l’intégration au système

Les concepteurs peuvent créer et simuler un frontal analogique pour un composant GreenPAK à l’aide du logiciel Go Configure de Renesas. Cet outil fournit un environnement de conception graphique dans lequel les ressources analogiques et numériques internes sont connectées visuellement, simulées pour vérifier leur bon fonctionnement, puis programmées directement dans le dispositif au moyen d’un kit de développement.

Environnement logiciel Go Configure montrant une conception Renesas GreenPAK.

Pour en savoir plus, consultez les composants GreenPAK et les exemples de référence.

• En savoir plus sur les composants GreenPAK
• Voir les solutions d’extension d’E/S GreenPAK

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