Reduza a complexidade do sistema com ICs de interface de sensores de sinal misto

Os projetos de interfaces de sensores não precisam ser excessivamente complexos, mas muitas vezes acabam sendo. As interfaces de sensores podem exigir ASICs especializados para determinados tipos de sensores, front-ends analógicos projetados sob medida ou uma interface digital simples para sensores com saída digital. Em certa medida, o segmento de IoT da indústria de semicondutores reconheceu isso, e muitos dispositivos sensores convergiram para o I2C como protocolo popular para captura de dados. Ainda assim, há muitos dispositivos sensores que não podem usar I2C e ainda exigirão uma entrada ADC ou um front-end analógico personalizado.

Em vez de construir front-ends analógicos com componentes discretos, processadores programáveis de sinal misto oferecem um caminho mais rápido. Esses componentes fornecem um bloco personalizável de processamento analógico com lógica digital, tornando-se uma excelente solução para projetar interfaces personalizadas com múltiplos sensores. Veja neste artigo como tudo isso funciona.

O que é necessário para interfaces com múltiplos sensores

A abordagem comum para projetar interfaces com múltiplos sensores normalmente se concentra em um microcontrolador responsável por processar e capturar dados de sensores com saídas digitais, na maioria das vezes por I2C ou SPI. Esses protocolos se tornaram padrão em muitos ecossistemas de sensores porque simplificam o caminho de aquisição de dados: o MCU faz polling ou recebe interrupções de sensores digitais, lê registradores por um barramento serial e processa os dados resultantes no firmware. Para sistemas que exigem apenas entradas de sensores digitais, essa arquitetura é simples e bem suportada pela maioria das famílias de MCUs.

No entanto, a maioria dos sistemas de sensores do mundo real também precisa capturar sinais analógicos, que devem ser condicionados antes da digitalização. Isso significa que o sistema requer um ADC e, antes desse ADC, circuitos amplificadores para condicionamento de sinal. Amplificadores de instrumentação, amplificadores de transimpedância ou estágios simples de ganho são comuns, dependendo do tipo de sensor e da faixa de saída. A filtragem também costuma ser necessária para rejeitar ruído antes que o sinal chegue à entrada do conversor.

O próprio ADC introduz uma complexidade adicional de projeto. Seja um conversor independente ou integrado ao MCU, a entrada analógica frequentemente exige um circuito driver para apresentar a impedância de fonte correta à rede sample-and-hold. Sem um acionamento adequado, o tempo de aquisição do ADC pode ser insuficiente, levando a erros de ganho ou não linearidade. Depois que o sinal é digitalizado, o firmware da aplicação no MCU cuida do processamento adicional, calibração e comunicação. O resultado é um sistema com múltiplos estágios analógicos discretos, cada um exigindo seleção cuidadosa de componentes, atenção ao layout e validação, tudo isso antes mesmo de os dados chegarem ao domínio digital, onde o MCU pode atuar sobre eles.

Abordagem típica com um MCU

A arquitetura padrão para aquisição de dados de sensores coloca um MCU no centro do sistema. O MCU detecta diretamente as saídas de sensores digitais por barramentos I2C ou SPI e, no caso de sinais analógicos, os captura por meio de um pino ADC integrado. Um diagrama de blocos dessa arquitetura mostra o MCU conectado a vários sensores digitais de um lado e, do outro, a circuitos de condicionamento de sinal analógico alimentando sua entrada ADC.

Essa topologia faz dos MCUs e de outros processadores digitais excelentes escolhas para capturar dados de sensores com saídas digitais. As interfaces seriais de periféricos são maduras, bem documentadas e suportadas por extensas bibliotecas de drivers. No entanto, os MCUs oferecem pouquíssimo suporte a sinais analógicos dentro do mesmo chip. O ADC integrado fornece a função de conversão, mas não oferece o condicionamento de front-end que a maioria dos sensores analógicos exige. Não há ganho programável, nem filtragem configurável, nem roteamento analógico flexível dentro do próprio MCU.

Quer seja usado o ADC integrado do MCU ou um ADC externo independente para capturar os sinais analógicos, o projetista ainda enfrenta o mesmo problema de projeto analógico em nível de placa:

• Selecionar amplificadores operacionais e definir resistores de ganho para a faixa de sinal necessária
• Projetar filtros antialiasing compatíveis com a taxa de amostragem do ADC
• Fazer o layout do front-end analógico com a devida atenção a ruído, aterramento e tolerâncias dos componentes

O front-end analógico continua sendo um problema de projeto discreto em nível de placa, independentemente da capacidade do lado de processamento digital do sistema.

Uma abordagem melhor com processamento programável de sinal misto

Os processadores programáveis de sinal misto oferecem uma arquitetura fundamentalmente diferente para interfaces de sensores. Em vez de projetar circuitos discretos de condicionamento analógico na PCB e depois rotear o sinal condicionado para um dispositivo digital separado, um processador programável de sinal misto implementa o front-end analógico dentro do próprio chip. O projetista configura blocos analógicos internos, como amplificadores operacionais, comparadores analógicos, referências de tensão e tabelas de consulta, por software em vez de por seleção física de componentes e layout da placa. O resultado é, na prática, um CPLD para sinais analógicos: um dispositivo reconfigurável em que o caminho de processamento analógico pode ser definido, modificado e reverificado sem a necessidade de uma nova revisão da placa.

Essa programabilidade reduz diretamente a complexidade do sistema. Estágios de ganho, detectores de limiar e funções simples de filtragem que, de outra forma, exigiriam múltiplos componentes discretos e roteamento cuidadoso na PCB são absorvidos em um único CI. A economia de área na placa pode chegar a 90% em comparação com soluções discretas equivalentes, e o ciclo de iteração do projeto é consideravelmente encurtado porque as mudanças acontecem no software de configuração, e não em revisões de esquemático e layout.

Renesas GreenPAK é uma família de CIs programáveis de sinal misto que combina blocos analógicos (amplificadores operacionais, comparadores analógicos) com blocos de lógica digital (LUTs, flip-flops, contadores, geradores de atraso) em um único encapsulamento compacto. Os dispositivos GreenPAK são programáveis uma única vez ou reprogramáveis, dependendo da variante, e estão disponíveis em encapsulamentos tão pequenos quanto 1,0 mm × 1,2 mm. Os recursos internos disponíveis em um dispositivo GreenPAK típico incluem:

• Amplificadores operacionais configuráveis com ganho programável
• Comparadores analógicos com limiares e histerese selecionáveis
• LUTs digitais, flip-flops, contadores e geradores de atraso
• I2C ou SPI interfaces de comunicação para integração ao sistema

Os projetistas podem criar e simular um front-end analógico para um componente GreenPAK usando o software Go Configure da Renesas. Essa ferramenta fornece um ambiente gráfico de projeto no qual os recursos analógicos e digitais internos são conectados visualmente, simulados para verificação funcional e então programados diretamente no dispositivo por meio de um kit de desenvolvimento.

Ambiente do software Go Configure mostrando um projeto Renesas GreenPAK.

Para saber mais, confira os componentes GreenPAK e os exemplos de referência.

• Saiba mais sobre os componentes GreenPAK
• Veja as soluções de expansor de E/S GreenPAK

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