Riduci la complessità del sistema con gli IC di interfaccia per sensori mixed-signal

I progetti di interfaccia per sensori non devono necessariamente essere eccessivamente complessi, eppure spesso lo sono. Le interfacce per sensori possono richiedere ASIC specializzati per determinati tipi di sensori, front-end analogici progettati su misura oppure una semplice interfaccia digitale per sensori con uscita digitale. In una certa misura, il segmento IoT dell’industria dei semiconduttori lo ha riconosciuto, e molti dispositivi sensore sono convergenti verso I2C come protocollo preferito per l’acquisizione dei dati dai sensori. Rimangono comunque molti dispositivi sensore che non possono usare I2C e che richiederanno comunque un ingresso ADC o un front-end analogico personalizzato.

Invece di realizzare front-end analogici con componenti discreti, i processori programmabili mixed-signal offrono un percorso più rapido. Questi componenti forniscono un blocco di elaborazione analogica personalizzabile con logica digitale, rendendoli un’ottima soluzione per progettare interfacce multi-sensore personalizzate. Scopri come funziona il tutto in questo articolo.

Cosa serve per le interfacce multi-sensore

L’approccio comune alla progettazione di interfacce multi-sensore ruota in genere attorno a un microcontrollore responsabile dell’elaborazione e dell’acquisizione dei dati dai sensori con uscite digitali, molto spesso tramite I2C o SPI. Questi protocolli sono diventati standard in molti ecosistemi di sensori perché semplificano il percorso di acquisizione dei dati: l’MCU interroga i sensori digitali o riceve interrupt da essi, legge i registri su un bus seriale ed elabora i dati risultanti nel firmware. Per i sistemi che richiedono solo ingressi da sensori digitali, questa architettura è semplice ed è ben supportata dalla maggior parte delle famiglie di MCU.

Tuttavia, la maggior parte dei sistemi di sensori nel mondo reale deve acquisire anche segnali analogici, che devono essere condizionati prima della digitalizzazione. Ciò significa che il sistema richiede un ADC e, a monte di tale ADC, circuiti di amplificazione per il condizionamento del segnale. A seconda del tipo di sensore e dell’intervallo di uscita, sono comuni amplificatori di strumentazione, amplificatori transimpedenza o semplici stadi di guadagno. In genere è inoltre necessario il filtraggio per respingere il rumore prima che il segnale raggiunga l’ingresso del convertitore.

L’ADC stesso introduce un ulteriore carico di progettazione. Che si tratti di un convertitore standalone o integrato nell’MCU, l’ingresso analogico richiede spesso un circuito driver per presentare la corretta impedenza di sorgente alla rete sample-and-hold. Senza un pilotaggio adeguato, il tempo di acquisizione dell’ADC potrebbe essere insufficiente, causando errori di guadagno o non linearità. Una volta digitalizzato il segnale, il firmware applicativo dell’MCU gestisce l’ulteriore elaborazione, la calibrazione e la comunicazione. Il risultato è un sistema con più stadi analogici discreti, ciascuno dei quali richiede un’attenta selezione dei componenti, considerazioni di layout e validazione, il tutto prima ancora che i dati raggiungano il dominio digitale in cui l’MCU può agire su di essi.

Approccio tipico con un MCU

L’architettura standard per l’acquisizione dei dati dai sensori colloca un MCU al centro del sistema. L’MCU rileva direttamente le uscite dei sensori digitali tramite bus I2C o SPI e, per i segnali analogici, li acquisisce attraverso un pin ADC integrato. Un diagramma a blocchi di questa architettura mostra l’MCU collegato da un lato a più sensori digitali e dall’altro a circuiti di condizionamento del segnale analogico che alimentano il suo ingresso ADC.

Questa topologia rende gli MCU e altri processori digitali scelte eccellenti per acquisire dati da sensori con uscite digitali. Le interfacce periferiche seriali sono mature, ben documentate e supportate da ampie librerie di driver. Tuttavia, gli MCU offrono un supporto molto limitato per i segnali analogici all’interno dello stesso chip. L’ADC integrato fornisce una funzione di conversione, ma non fornisce il condizionamento front-end richiesto dalla maggior parte dei sensori analogici. Non vi sono guadagno programmabile, filtraggio configurabile o instradamento analogico flessibile all’interno dell’MCU stesso.

Che si utilizzi un ADC integrato nell’MCU o un ADC standalone esterno per acquisire i segnali analogici, il progettista si trova comunque ad affrontare lo stesso problema di progettazione analogica a livello di scheda:

• Selezione degli op-amp e impostazione delle resistenze di guadagno per l’intervallo di segnale richiesto
• Progettazione di filtri anti-aliasing adattati alla frequenza di campionamento dell’ADC
• Realizzazione del layout del front-end analogico prestando la dovuta attenzione a rumore, messa a terra e tolleranze dei componenti

Il front-end analogico rimane un problema di progettazione discreta a livello di scheda, indipendentemente da quanto sia capace il lato di elaborazione digitale del sistema.

Un approccio migliore con l’elaborazione mixed-signal programmabile

I processori programmabili mixed-signal offrono un’architettura fondamentalmente diversa per le interfacce sensore. Invece di progettare circuiti di condizionamento analogico discreti sul PCB e poi instradare il segnale condizionato verso un dispositivo digitale separato, un processore programmabile mixed-signal implementa il front-end analogico all’interno del chip stesso. Il progettista configura blocchi analogici interni, come amplificatori operazionali, comparatori analogici, riferimenti di tensione e tabelle di ricerca, tramite software anziché tramite selezione fisica dei componenti e layout della scheda. Il risultato è di fatto un CPLD per segnali analogici: un dispositivo riconfigurabile in cui il percorso di elaborazione analogica può essere definito, modificato e verificato nuovamente senza una nuova revisione della scheda.

Questa programmabilità riduce direttamente la complessità del sistema. Stadi di guadagno, rilevatori di soglia e semplici funzioni di filtraggio che altrimenti richiederebbero più componenti discreti e un attento instradamento del PCB vengono assorbiti in un unico IC. Il risparmio di area sulla scheda può arrivare fino al 90% rispetto a soluzioni discrete equivalenti, e il ciclo di iterazione del progetto si riduce notevolmente perché le modifiche avvengono nel software di configurazione anziché nelle revisioni di schema e layout.

Renesas GreenPAK è una famiglia di IC mixed-signal programmabili che combina blocchi analogici (amplificatori operazionali, comparatori analogici) con blocchi di logica digitale (LUT, flip-flop, contatori, generatori di ritardo) in un singolo package di piccole dimensioni. I dispositivi GreenPAK sono OTP oppure riprogrammabili a seconda della variante e sono disponibili in package piccoli fino a 1,0 mm × 1,2 mm. Le risorse interne disponibili in un tipico dispositivo GreenPAK includono:

• Op-amp configurabili con guadagno programmabile
• Comparatori analogici con soglie e isteresi selezionabili
• LUT digitali, flip-flop, contatori e generatori di ritardo
• Interfacce di comunicazione I2C o SPI per l’integrazione nel sistema

I progettisti possono costruire e simulare un front-end analogico per un componente GreenPAK utilizzando il software Go Configure di Renesas. Questo strumento fornisce un ambiente di progettazione grafico in cui le risorse analogiche e digitali interne vengono collegate visivamente, simulate per verificarne la correttezza funzionale e quindi programmate direttamente nel dispositivo tramite un kit di sviluppo.

Ambiente software Go Configure che mostra un progetto Renesas GreenPAK.

Per saperne di più, dai un’occhiata ai componenti GreenPAK e agli esempi di riferimento.

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