高ADCチャネル数を持つ最適なセンサーハブMCUオプション

投稿日 2021/05/14 金曜日
更新日 2024/07/1 月曜日

最近、産業用クライアントから、多数のセンサーとのインターフェース用の基板の新バージョンを設計する手伝いを求められました。ここでの目標は、別々の機能とコンポーネントを持つ3枚の基板を、データ取得に必要なすべてのインターフェースを提供する単一の基板に統合することでした。これにより、センサーハブに使用するためのMCUのタイプと、単一のMCUにどれだけのチャネルを搭載できるかについて考えさせられました。

実際、高性能MCUを購入すると、センサーデータ取得に必要なかなり良い数のADCと合理的に高い解像度を持つことがわかります。たとえば、非常に低い信号レベルとSNR値でのコヒーレント光学測定用の制御基板を構築していない場合、主要メーカーは高いI/O数と高いADCチャネル数を持つMCU基板について多くのオプションを提供します。次のセンサーハブ基板や類似の製品で使用できるいくつかのオプションをここに示します。

センサーMCUの高ADCチャネル数

アナログ世界とデジタル世界の間のインターフェースにはセンサーが必要であり、それらのセンサーは基板内のプロセッサーとインターフェースする方法が必要です。ここで登場するのがマルチチャネルADCで、複数のチャネルを使用してデータを収集および処理できます。小さなフットプリントのシステムを構築する必要がある場合、統合ADCを備えたMCUを使用できます。計算能力の点では最も強力ではありませんが、多くのMCUには他のデジタルコンポーネントやアナログセンサーとのインターフェースに必要な多くの周辺機器が含まれています。

高ADCチャネル数を持つMCUは、多くの混合信号システムで特定の利点を提供します。外部マルチチャネルADCを使用する代わりに、高チャネル数を持つMCUを使用する理由は次のとおりです：

適度なクロックレート：高チャネル数ACDを持つMCUは、必要なサンプルレートを提供するためにも高いクロックレートを備える傾向があり、そのため、比較的複雑なアルゴリズムで変換されたデータを迅速に処理することもできます。
サンプリングレート：高ADCチャネル数を持つほとんどの16ビットまたは32ビットMCUは、依然として約Mspsのサンプリングレートを提供します。これにより、約MHzの周波数までのアナログ信号を正確に感知できます。
周辺機器とインターフェース：センサーがADCに直接接続する必要がない場合、MCUは他の周辺機器からデータを収集するための標準的な低速インターフェースを提供します。

低速および高速インターフェース、ADCチャネル数、クロック/サンプリングレートに加えて、センサーノード設計における2つの重要な仕様には、オンボードメモリと消費電力が含まれます。消費電力に関しては、スリープモードと条件付きウェイクアップ制御を備えたコンポーネントを選ぶことが、電力を節約するのに役立ちます。

高いADCチャネル数を持つMCUでは、利用可能なすべてのチャネルを単一のADCに持つのではなく、複数のADCを並列で動作させてこれらのチャネルを分散させることがあります。複数のADCを使用することで、各ADCの出力に位相シフトを適用することによりサンプルレートを増加させるインターリービングを実装できます。言い換えると、コンポーネントにN個のADCが含まれている場合、インターリービングによりサンプルレートをN倍に増加させることができます。

高ADCチャネル数を持つMCUの例

Microchip, PIC32MZシリーズ

MicrochipのPIC32MZシリーズMCUは、同社のEmbedded Connectivity (EC) ファミリーの一部です。これらのコンポーネントは、最大48のアナログチャネルを10ビット解像度、1 MSPS、独立した外部ADCトリガーソースで提供します。32ビットARM Cortex M4コアは、最大200 MHzで動作します。異なるフットプリントは、周辺機器とのインターフェース用に異なるI/O数を含み、標準インターフェース（I2C/SPI/I2S）およびEBIまたはPMPグラフィックスインターフェースを含みます。高速インターフェースには、USB 2.0コントローラーと10/100 Ethernet MACがMIIおよびRMIIインターフェースで含まれています。

PIC32MZシリーズのコアブロック図。 PIC32MZシリーズMCUのデータシートより。

STMicroelectronics, STM32F405xxおよびSTM32F407xx

STMicroelectronicsの32ビットMCUであるSTM32シリーズは、AtmelのMCU（Arduinoで有名）と並んで市場で最も人気のあるMCUの一つです。STM32F405xxおよびSTM32F407xxMCUには、それぞれ16チャネルと12ビット解像度を持つ3つの組み込みADCが含まれています。サンプリングは、最大2.4 MspsおよびVDD = 3.0から3.6 Vでの30 MHzフラッシュアクセス（60 MHz全電力クロックレート）で提供されます。さらに、これらのコンポーネントのADCは、インターリーブモードで24チャネルで7.2 Mspsで動作することができます。これら2つのコンポーネントには、標準インターフェース（SPI/I2C/UART）、最大140のI/O、USB 2.0 PHY、および10/100 Ethernet MACが含まれています。

Texas Instruments, TM4C123xシリーズ

Texas InstrumentsのTM4C123xシリーズMCUには、最大24のADCチャネルが含まれており、12ビット解像度で最大2 Mspsのサンプルレートを提供します。このコンポーネントは、ARM Cortex M4Fコア（120 MHzクロックレート）で動作し、最大1 MBのフラッシュおよび256 KBの内部RAMを持っています。周辺機器や他のセンサーへのアクセスには、UART、I2C、SPI、CANの他に40のPWM出力が含まれています。USB 2.0 PHYおよび10/100 Ethernet MACが含まれています。高いサンプルレート、解像度、およびADCチャネル数を持つこのシリーズのMCUは、車両、産業設定、ロボティクス、および人間-機械インターフェースのセンサーノードに最適な選択です。TM4C123xシリーズのブロック図には、完全な機能リストが示されています。

TM4C123x ブロックダイアグラム。 TM4C123x MCU データシートの訂正より。

センサーハブ設計のためのその他のコンポーネント

実際のセンサーに加えて、複数のセンサーから安定したセンシングを提供するために必要な他のコンポーネントがあります。無線接続やネットワーク/コンピューティングインターフェースも非常に重要で、センサーハブをより大きなエコシステムに統合する必要があります。さらに、正確な取得を保証するために使用できるいくつかの信号取得および調整コンポーネントがあります。

MCU駆動のセンサーノードには幅広いコンポーネントが必要で、Octopartの高度な検索およびフィルタリング機能を使用して必要な部品を見つけることができます。Octopartの電子部品検索エンジンを使用すると、ディストリビューターのデータや部品仕様にアクセスでき、すべてがユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用できます。当社の線形集積回路ページをご覧ください。

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