Migliori opzioni di MCU per Sensor Hub con elevato numero di canali ADC

Creato: maggio 14, 2021
Aggiornato: luglio 1, 2024

Di recente, un cliente industriale mi ha chiesto di aiutare a progettare una nuova versione di una scheda per l'interfacciamento con un gran numero di sensori. L'obiettivo qui era consolidare tre schede con funzioni e componenti separati in un'unica scheda che fornisse tutte le interfacce necessarie per l'acquisizione dei dati. Questo mi ha fatto riflettere sul tipo di MCU che si potrebbe dover utilizzare per un hub di sensori e su quanti canali si possono inserire in un singolo MCU.

Si scopre che, se acquisti un MCU ad alte prestazioni, possono avere un numero piuttosto buono di ADC con una risoluzione ragionevolmente alta di cui avresti bisogno per l'acquisizione dei dati dei sensori. Se non stai costruendo una scheda di controllo per, diciamo, misurazioni ottiche coerenti a livello di segnale molto basso e valore SNR, i principali produttori ti offriranno molte opzioni per schede MCU con alto numero di I/O e alto conteggio di canali ADC. Ecco alcune opzioni che puoi utilizzare nella tua prossima scheda hub di sensori o in un prodotto simile.

Alto conteggio di canali ADC nel tuo MCU per sensori

L'interfacciamento tra il mondo analogico e quello digitale richiede sensori, e questi sensori hanno bisogno di un modo per interfacciarsi con un processore nella tua scheda. Entra in gioco un ADC multicanale, che ti offre più canali per raccogliere ed elaborare dati. Se hai bisogno di costruire un sistema con ingombro ridotto, puoi utilizzare un MCU con ADC integrato. Sebbene non sia il più potente in termini di potenza di calcolo, molti MCU includono molti periferici necessari per interfacciarsi con altri componenti digitali e sensori analogici.

Gli MCU con alto conteggio di canali ADC ti offrono vantaggi particolari in un numero di sistemi a segnale misto. Invece di utilizzare un ADC multicanale esterno, ecco alcune ragioni per cui potresti voler utilizzare un MCU con alto numero di canali:

Frequenza di clock moderata: Gli MCU con alto conteggio di canali ACD tendono anche ad avere una frequenza di clock elevata per fornire il tasso di campionamento richiesto, quindi possono anche elaborare rapidamente dati convertiti con algoritmi moderatamente complessi.
Tasso di campionamento: La maggior parte degli MCU a 16 bit o 32 bit con alto conteggio di canali ADC fornisce ancora un tasso di campionamento di ~Msps. Questo consente un rilevamento accurato dei segnali analogici fino a frequenze di ~MHz.
Periferiche e interfacce: Se il tuo sensore non ha bisogno di connettersi direttamente al tuo ADC, gli MCU offrono interfacce standard a bassa velocità per raccogliere dati da altre periferiche.

Oltre alle interfacce a bassa e alta velocità, al conteggio dei canali ADC e alle frequenze di clock/campionamento, due specifiche importanti per la progettazione di nodi sensori includono la memoria a bordo e il consumo di energia. Per il consumo di energia, vorrai un componente con modalità sleep e controllo di risveglio condizionale poiché questo aiuterà a conservare energia.

Infine, gli MCU con un elevato numero di canali ADC a volte distribuiscono questi canali su più ADC che funzionano in parallelo, piuttosto che su un singolo ADC con tutti i canali disponibili. L'utilizzo di più ADC consente di implementare l'interleaving, dove la frequenza di campionamento viene aumentata applicando uno sfasamento sulla uscita di ciascun ADC. In altre parole, se il componente contiene N ADC, allora l'interleaving consente di aumentare la frequenza di campionamento di un fattore N.

Alcuni MCU con Elevato Numero di Canali ADC

Microchip, Serie PIC32MZ

La Serie PIC32MZ di MCU da Microchip fa parte della famiglia di connettività integrata (EC) dell'azienda. Questi componenti offrono fino a 48 canali analogici con risoluzione a 10 bit, 1 MSPS e sorgenti di trigger ADC esterne indipendenti. Il core ARM Cortex M4 a 32 bit opera fino a 200 MHz. Diverse impronte contengono un numero diverso di conteggi I/O per l'interfacciamento con i periferici, così come interfacce standard (I2C/SPI/I2S) e interfacce grafiche EBI o PMP. Le interfacce ad alta velocità includono un controller USB 2.0 e un MAC Ethernet 10/100 con interfaccia MII e RMII.

Diagramma a blocchi del core della Serie PIC32MZ. Dal datasheet della serie MCU PIC32MZ.

STMicroelectronics, STM32F405xx e STM32F407xx

La Serie STM32 di MCU a 32 bit di STMicroelectronics è probabilmente l'MCU più popolare sul mercato accanto agli MCU Atmel (famosi per Arduino). Gli MCU STM32F405xx e STM32F407xx includono 3 ADC integrati, ognuno con 16 canali e risoluzione a 12 bit. Il campionamento è fornito fino a 2,4 Msps e accesso alla Flash a 30 MHz con VDD = 3,0 a 3,6 V (tasso di clock a piena potenza di 60 MHz). Inoltre, gli ADC in questi componenti possono operare a 7,2 Msps con 24 canali in modalità interleaved. Questi due componenti contengono un numero di interfacce standard (SPI/I2C/UART), fino a 140 I/O, PHY USB 2.0 e MAC Ethernet 10/100.

Texas Instruments, Serie TM4C123x

La Serie TM4C123x di MCU da Texas Instruments include fino a 24 canali ADC con risoluzione a 12 bit con una frequenza di campionamento fino a 2 Msps. Questo componente funziona su un core ARM Cortex M4F (frequenza di clock di 120 MHz) con fino a 1 MB di Flash e 256 KB di RAM interna. Per l'accesso ai periferici e ad altri sensori, altre interfacce includono UART, I2C, SPI e CAN, così come 40 uscite PWM. È incluso un PHY USB 2.0 e MAC Ethernet 10/100. L'alta frequenza di campionamento, risoluzione e conteggio dei canali ADC in questa serie di MCU li rende un'eccellente scelta per i nodi sensori in veicoli, ambienti industriali, robotica e interfaccia uomo-macchina. Un elenco completo delle caratteristiche è mostrato nel diagramma a blocchi della serie TM4C123x qui sotto.

Diagramma a blocchi TM4C123x. Dal errata del datasheet MCU TM4C123x.

Altri Componenti per il Design di Sensor Hub

Oltre ai sensori veri e propri, ci sono altri componenti di cui avrai bisogno nel tuo design per garantire una rilevazione stabile da più sensori. Anche la connettività wireless e le interfacce di rete/calcolo sono molto importanti poiché gli hub di sensori devono essere integrati in un ecosistema più ampio. Inoltre, ci sono alcuni componenti di acquisizione e condizionamento del segnale che puoi utilizzare per garantire un'acquisizione accurata.

I nodi sensori controllati da MCU richiedono una vasta gamma di componenti, e puoi utilizzare le funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio su Octopart per trovare i pezzi di cui hai bisogno. Quando utilizzi il motore di ricerca elettronica di Octopart, avrai accesso ai dati dei distributori e alle specifiche dei componenti, ed è tutto liberamente accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati lineari per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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