Снижение сложности системы с помощью микросхем интерфейса датчиков смешанных сигналов

Проекты интерфейсов датчиков не обязательно должны быть чрезмерно сложными, однако на практике они нередко именно такими и оказываются. Для интерфейсов датчиков могут требоваться специализированные ASIC для определённых типов датчиков, аналоговые входные каскады собственной разработки или простой цифровой интерфейс для датчиков с цифровым выходом. В определённой степени IoT-сегмент полупроводниковой отрасли это учёл, и многие датчики пришли к использованию I2C как популярного протокола для сбора данных. Тем не менее существует множество датчиков, которые не могут использовать I2C и по-прежнему требуют входа ADC или специализированного аналогового входного каскада.

Вместо построения аналоговых входных каскадов из дискретных компонентов программируемые процессоры смешанных сигналов предлагают более быстрый путь вперёд. Эти компоненты предоставляют настраиваемый блок аналоговой обработки вместе с цифровой логикой, что делает их отличным решением для разработки пользовательских многосенсорных интерфейсов. О том, как это работает, читайте в этой статье.

Что требуется для многосенсорных интерфейсов

Распространённый подход к проектированию многосенсорных интерфейсов обычно строится вокруг микроконтроллера, отвечающего за обработку и сбор данных с датчиков с цифровыми выходами, чаще всего по I2C или SPI. Эти протоколы стали стандартом во многих экосистемах датчиков, поскольку упрощают путь получения данных: MCU опрашивает цифровые датчики или получает от них прерывания, считывает регистры по последовательной шине и обрабатывает полученные данные в прошивке. Для систем, которым нужны только цифровые входы датчиков, такая архитектура проста и хорошо поддерживается большинством семейств MCU.

Однако большинству реальных сенсорных систем также необходимо принимать аналоговые сигналы, которые перед оцифровкой должны пройти предварительную обработку. Это означает, что системе нужен ADC, а перед ним — усилительные цепи для согласования и кондиционирования сигнала. В зависимости от типа датчика и диапазона выходного сигнала обычно применяются инструментальные усилители, трансимпедансные усилители или простые каскады усиления. Кроме того, как правило, требуется фильтрация для подавления шума до того, как сигнал поступит на вход преобразователя.

Сам ADC тоже вносит дополнительную сложность в проектирование. Независимо от того, является ли это отдельным преобразователем или блоком, интегрированным в MCU, аналоговому входу часто требуется драйверная схема, обеспечивающая нужное выходное сопротивление источника для цепи sample-and-hold. Без надлежащего драйвера времени выборки ADC может оказаться недостаточно, что приведёт к ошибкам усиления или нелинейности. После оцифровки сигнала дальнейшую обработку, калибровку и обмен данными выполняет прикладная прошивка MCU. В результате получается система с несколькими дискретными аналоговыми каскадами, каждый из которых требует тщательного подбора компонентов, внимания к разводке и верификации — и всё это ещё до того, как данные попадут в цифровую область, где MCU сможет с ними работать.

Типовой подход с MCU

В стандартной архитектуре сбора данных с датчиков MCU находится в центре системы. MCU напрямую принимает цифровые выходы датчиков по шинам I2C или SPI, а аналоговые сигналы — через встроенный вывод ADC. Блок-схема такой архитектуры показывает MCU, подключённый с одной стороны к нескольким цифровым датчикам, а с другой — к аналоговым цепям кондиционирования сигнала, подающим его на вход ADC.

Такая топология делает MCU и другие цифровые процессоры отличным выбором для приёма данных от датчиков с цифровыми выходами. Последовательные периферийные интерфейсы зрелы, хорошо документированы и поддерживаются обширными библиотеками драйверов. Однако в рамках того же кристалла MCU предоставляет очень мало средств для работы с аналоговыми сигналами. Встроенный ADC выполняет функцию преобразования, но не обеспечивает предварительное кондиционирование, необходимое большинству аналоговых датчиков. Внутри самого MCU нет ни программируемого усиления, ни настраиваемой фильтрации, ни гибкой маршрутизации аналоговых сигналов.

Независимо от того, используется ли для захвата аналоговых сигналов интегрированный ADC в MCU или внешний автономный ADC, разработчик всё равно сталкивается с одной и той же задачей аналогового проектирования на уровне платы:

• выбор операционных усилителей и установка резисторов усиления под требуемый диапазон сигнала
• проектирование антиалиасинговых фильтров, согласованных с частотой дискретизации ADC
• разводка аналогового входного каскада с должным вниманием к шумам, заземлению и допускам компонентов

Аналоговый входной каскад остаётся отдельной задачей проектирования на уровне платы, независимо от того, насколько мощна цифровая часть системы.

Лучший подход с программируемой обработкой смешанных сигналов

Программируемые процессоры смешанных сигналов предлагают принципиально иную архитектуру сенсорных интерфейсов. Вместо проектирования дискретных цепей аналогового кондиционирования на PCB и последующей маршрутизации подготовленного сигнала в отдельное цифровое устройство программируемый процессор смешанных сигналов реализует аналоговый входной каскад внутри самого кристалла. Разработчик настраивает внутренние аналоговые блоки, такие как операционные усилители, аналоговые компараторы, источники опорного напряжения и таблицы поиска, программно, а не за счёт физического выбора компонентов и разводки платы. По сути, результатом становится CPLD для аналоговых сигналов: реконфигурируемое устройство, в котором путь аналоговой обработки можно задать, изменить и повторно верифицировать без повторного изготовления платы.

Такая программируемость напрямую снижает сложность системы. Каскады усиления, пороговые детекторы и простые функции фильтрации, которые в противном случае потребовали бы множества дискретных компонентов и тщательной трассировки PCB, объединяются в одной IC. Экономия площади платы может достигать 90% по сравнению с эквивалентными решениями на дискретных компонентах, а цикл итераций проектирования заметно сокращается, поскольку изменения вносятся в конфигурационное ПО, а не в схему и разводку.

Renesas GreenPAK — это семейство программируемых IC смешанных сигналов, объединяющих аналоговые блоки (операционные усилители, аналоговые компараторы) с блоками цифровой логики (LUT, триггеры, счётчики, генераторы задержек) в одном компактном корпусе. Устройства GreenPAK бывают однократно программируемыми или перепрограммируемыми в зависимости от варианта исполнения и доступны в корпусах размером всего 1,0 мм × 1,2 мм. Внутренние ресурсы, доступные в типичном устройстве GreenPAK, включают:

• настраиваемые операционные усилители с программируемым коэффициентом усиления
• аналоговые компараторы с выбираемыми порогами и гистерезисом
• цифровые LUT, триггеры, счётчики и генераторы задержек
• I2C или SPI интерфейсы связи для интеграции в систему

Разработчики могут создавать и моделировать аналоговый входной каскад для компонента GreenPAK с помощью ПО Go Configure от Renesas. Этот инструмент предоставляет графическую среду проектирования, в которой внутренние аналоговые и цифровые ресурсы визуально соединяются, моделируются на предмет функциональной корректности, а затем напрямую программируются в устройство через комплект разработки.

Программная среда Go Configure, демонстрирующая проект Renesas GreenPAK.

Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с компонентами GreenPAK и эталонными примерами.

• Узнайте больше о компонентах GreenPAK
• Посмотреть решения GreenPAK для расширения ввода-вывода

Независимо от того, разрабатываете ли вы надёжную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования PCB и САПР мирового класса, предлагаемых Altium, для реализации ваших решений GreenPAK. Altium предоставляет ведущую в мире платформу разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования PCB и средства междисциплинарного взаимодействия для передовых инженерных команд. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня