Zmniejsz złożoność systemu dzięki układom scalonym interfejsu czujników mixed-signal

Projekty interfejsów czujników nie muszą być nadmiernie złożone, a jednak często takie właśnie są. Interfejsy czujników mogą wymagać wyspecjalizowanych układów ASIC dla określonych typów czujników, niestandardowo zaprojektowanych analogowych układów wejściowych albo prostego interfejsu cyfrowego dla czujników z wyjściem cyfrowym. Do pewnego stopnia segment IoT w branży półprzewodników to dostrzegł i wiele urządzeń czujnikowych przyjęło I2C jako popularny protokół do pozyskiwania danych z czujników. Mimo to nadal istnieje wiele urządzeń czujnikowych, które nie mogą korzystać z I2C i wciąż wymagają wejścia ADC lub niestandardowego analogowego układu wejściowego.

Zamiast budować analogowe układy wejściowe z elementów dyskretnych, programowalne procesory mixed-signal oferują szybszą drogę do celu. Elementy te zapewniają konfigurowalny blok przetwarzania analogowego wraz z logiką cyfrową, co czyni je doskonałym rozwiązaniem do projektowania niestandardowych interfejsów wieloczujnikowych. Zobacz, jak to wszystko działa, w tym artykule.

Co jest potrzebne do interfejsów wieloczujnikowych

Typowe podejście do projektowania interfejsów wieloczujnikowych zwykle koncentruje się wokół mikrokontrolera odpowiedzialnego za przetwarzanie i pozyskiwanie danych z czujników z wyjściami cyfrowymi, najczęściej przez I2C lub SPI. Protokoły te stały się standardem w wielu ekosystemach czujników, ponieważ upraszczają ścieżkę akwizycji danych: MCU odpytuje czujniki cyfrowe lub odbiera od nich przerwania, odczytuje rejestry przez magistralę szeregową i przetwarza uzyskane dane w firmware. W systemach, które wymagają wyłącznie cyfrowych wejść z czujników, taka architektura jest prosta i dobrze wspierana przez większość rodzin MCU.

Jednak większość rzeczywistych systemów czujnikowych musi również rejestrować sygnały analogowe, które przed digitalizacją trzeba odpowiednio ukształtować. Oznacza to, że system wymaga ADC, a przed nim obwodów wzmacniających do kondycjonowania sygnału. W zależności od typu czujnika i zakresu sygnału wyjściowego powszechnie stosuje się wzmacniacze instrumentalne, wzmacniacze transimpedancyjne albo proste stopnie wzmocnienia. Zwykle konieczne jest także filtrowanie w celu odrzucenia szumu, zanim sygnał trafi na wejście przetwornika.

Sam ADC wprowadza dodatkowy narzut projektowy. Niezależnie od tego, czy jest to samodzielny przetwornik, czy układ zintegrowany z MCU, wejście analogowe często wymaga obwodu sterującego, który zapewni odpowiednią impedancję źródła dla układu próbkująco-pamiętającego. Bez właściwego sterowania czas akwizycji ADC może okazać się niewystarczający, prowadząc do błędów wzmocnienia lub nieliniowości. Po zdigitalizowaniu sygnału firmware aplikacyjny MCU realizuje dalsze przetwarzanie, kalibrację i komunikację. Efektem jest system z wieloma dyskretnymi stopniami analogowymi, z których każdy wymaga starannego doboru komponentów, uwzględnienia kwestii layoutu i walidacji, zanim dane w ogóle trafią do domeny cyfrowej, gdzie MCU może na nie reagować.

Typowe podejście z wykorzystaniem MCU

Standardowa architektura akwizycji danych z czujników umieszcza MCU w centrum systemu. MCU wykrywa wyjścia czujników cyfrowych bezpośrednio przez magistrale I2C lub SPI, a w przypadku sygnałów analogowych przechwytuje je przez wbudowane wejście ADC. Schemat blokowy takiej architektury pokazuje MCU połączony z wieloma czujnikami cyfrowymi z jednej strony oraz z analogowym układem kondycjonowania sygnału, który zasila jego wejście ADC, z drugiej.

Ta topologia sprawia, że MCU i inne procesory cyfrowe są doskonałym wyborem do pozyskiwania danych z czujników z wyjściami cyfrowymi. Szeregowe interfejsy peryferyjne są dojrzałe, dobrze udokumentowane i wspierane przez rozbudowane biblioteki sterowników. Jednak MCU oferują bardzo niewielkie wsparcie dla sygnałów analogowych w obrębie tego samego układu. Wbudowany ADC zapewnia funkcję konwersji, ale nie zapewnia kondycjonowania wejściowego, którego wymaga większość czujników analogowych. W samym MCU nie ma programowalnego wzmocnienia, konfigurowalnego filtrowania ani elastycznego routingu analogowego.

Niezależnie od tego, czy do przechwytywania sygnałów analogowych używany jest zintegrowany ADC mikrokontrolera, czy zewnętrzny samodzielny ADC, projektant nadal staje przed tym samym problemem projektowania analogowego na poziomie płytki:

• Dobór wzmacniaczy operacyjnych i ustawienie rezystorów wzmocnienia dla wymaganego zakresu sygnału
• Projektowanie filtrów antyaliasingowych dopasowanych do częstotliwości próbkowania ADC
• Projektowanie layoutu analogowego układu wejściowego z odpowiednim uwzględnieniem szumu, uziemienia i tolerancji komponentów

Analogowy układ wejściowy pozostaje dyskretnym problemem projektowym na poziomie płytki, niezależnie od tego, jak rozbudowana jest cyfrowa część przetwarzająca systemu.

Lepsze podejście dzięki programowalnemu przetwarzaniu mixed-signal

Programowalne procesory mixed-signal oferują zasadniczo odmienną architekturę interfejsów czujników. Zamiast projektować dyskretne analogowe układy kondycjonowania na PCB, a następnie kierować ukształtowany sygnał do oddzielnego urządzenia cyfrowego, programowalny procesor mixed-signal implementuje analogowy układ wejściowy wewnątrz samego układu scalonego. Projektant konfiguruje wewnętrzne bloki analogowe, takie jak wzmacniacze operacyjne, komparatory analogowe, źródła napięcia odniesienia i tablice LUT, za pomocą oprogramowania zamiast przez fizyczny dobór komponentów i projekt layoutu płytki. W efekcie otrzymujemy odpowiednik CPLD dla sygnałów analogowych: rekonfigurowalne urządzenie, w którym ścieżkę przetwarzania analogowego można definiować, modyfikować i ponownie weryfikować bez wykonywania nowej wersji płytki.

Ta programowalność bezpośrednio zmniejsza złożoność systemu. Stopnie wzmocnienia, detektory progowe i proste funkcje filtrowania, które w przeciwnym razie wymagałyby wielu elementów dyskretnych i starannego routingu PCB, zostają wchłonięte przez pojedynczy układ scalony. Oszczędność powierzchni płytki może sięgać nawet 90% w porównaniu z równoważnymi rozwiązaniami dyskretnymi, a cykl iteracji projektu ulega znacznemu skróceniu, ponieważ zmiany wprowadza się w oprogramowaniu konfiguracyjnym, a nie przez rewizje schematu i layoutu.

Renesas GreenPAK to rodzina programowalnych układów scalonych mixed-signal, która łączy bloki analogowe (wzmacniacze operacyjne, komparatory analogowe) z blokami logiki cyfrowej (LUT, przerzutniki, liczniki, generatory opóźnień) w jednej małej obudowie. Układy GreenPAK są jednokrotnie programowalne lub przeprogramowywalne, w zależności od wariantu, i są dostępne w obudowach o wymiarach już od 1,0 mm × 1,2 mm. Zasoby wewnętrzne dostępne w typowym układzie GreenPAK obejmują:

• Konfigurowalne wzmacniacze operacyjne z programowalnym wzmocnieniem
• Komparatory analogowe z wybieralnymi progami i histerezą
• Cyfrowe LUT, przerzutniki, liczniki i generatory opóźnień
• Interfejsy komunikacyjne I2C lub SPI do integracji z systemem

Projektanci mogą zbudować i zasymulować analogowy układ wejściowy dla komponentu GreenPAK za pomocą oprogramowania Go Configure firmy Renesas. Narzędzie to zapewnia graficzne środowisko projektowe, w którym wewnętrzne zasoby analogowe i cyfrowe są łączone wizualnie, symulowane pod kątem poprawności działania, a następnie programowane bezpośrednio do urządzenia za pośrednictwem zestawu deweloperskiego.

Środowisko oprogramowania Go Configure pokazujące projekt Renesas GreenPAK.

Aby dowiedzieć się więcej, zapoznaj się z komponentami GreenPAK i przykładami referencyjnymi.

• Dowiedz się więcej o komponentach GreenPAK
• Zobacz rozwiązania ekspanderów I/O GreenPAK

Niezależnie od tego, czy chcesz tworzyć niezawodną energoelektronikę, czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z kompletnego zestawu funkcji do projektowania PCB oraz światowej klasy narzędzi CAD oferowanych przez Altium, aby wdrożyć swoje rozwiązania GreenPAK. Altium zapewnia wiodącą na świecie platformę do rozwoju produktów elektronicznych, wyposażoną w najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się dziś z ekspertem Altium