Các Lựa Chọn MCU Trung Tâm Cảm Biến Tốt Nhất với Số Lượng Kênh ADC Cao

Created: Tháng Năm 14, 2021
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Gần đây, tôi được một khách hàng trong ngành công nghiệp yêu cầu giúp thiết kế phiên bản mới của một bảng mạch để kết nối với một số lượng lớn cảm biến. Mục tiêu ở đây là kết hợp ba bảng mạch với các chức năng và thành phần riêng biệt thành một bảng mạch duy nhất cung cấp tất cả các giao diện cần thiết cho việc thu thập dữ liệu. Điều này khiến tôi suy nghĩ về loại MCU nào mà người ta có thể cần sử dụng cho một trung tâm cảm biến, và bạn có thể tích hợp bao nhiêu kênh vào một MCU duy nhất.

Hóa ra, nếu bạn mua một MCU hiệu suất cao, chúng có thể có một số lượng ADC khá tốt với độ phân giải hợp lý cao mà bạn cần cho việc thu thập dữ liệu cảm biến. Nếu bạn không xây dựng một bảng mạch điều khiển cho, ví dụ, các phép đo quang học nhất quán ở mức tín hiệu rất thấp và giá trị SNR, các nhà sản xuất lớn sẽ cung cấp cho bạn nhiều lựa chọn cho các bảng mạch MCU với số lượng I/O cao và số lượng kênh ADC cao. Dưới đây là một số lựa chọn bạn có thể sử dụng trong bảng mạch trung tâm cảm biến tiếp theo hoặc sản phẩm tương tự.

Số lượng kênh ADC cao trong MCU cảm biến của bạn

Việc kết nối giữa thế giới analog và thế giới số cần có cảm biến, và những cảm biến này cần một cách nào đó để kết nối với bộ xử lý trong bảng mạch của bạn. Nhập một ADC đa kênh, cho phép bạn có nhiều kênh để thu thập và xử lý dữ liệu. Nếu bạn cần xây dựng một hệ thống với kích thước nhỏ gọn, bạn có thể sử dụng một MCU với ADC tích hợp. Mặc dù không phải là mạnh nhất về khả năng tính toán, nhiều MCU bao gồm đầy đủ các thiết bị ngoại vi cần thiết để kết nối với các thành phần số và cảm biến analog khác.

MCU với số lượng kênh ADC cao mang lại cho bạn những lợi ích cụ thể trong một số hệ thống tín hiệu hỗn hợp. Thay vì sử dụng một ADC đa kênh bên ngoài, dưới đây là một số lý do bạn có thể muốn sử dụng một MCU với số lượng kênh cao:

Tốc độ đồng hồ vừa phải: MCU với số lượng kênh ACD cao cũng có xu hướng có tốc độ đồng hồ cao để cung cấp tốc độ lấy mẫu cần thiết, vì vậy chúng cũng có thể nhanh chóng xử lý dữ liệu đã chuyển đổi với các thuật toán tương đối phức tạp.
Tốc độ lấy mẫu: Hầu hết các MCU 16-bit hoặc 32-bit với số lượng kênh ADC cao vẫn cung cấp tốc độ lấy mẫu ~Msps. Điều này cung cấp khả năng cảm biến chính xác các tín hiệu analog lên đến tần số ~MHz.
Thiết bị ngoại vi và giao diện: Nếu cảm biến của bạn không cần kết nối trực tiếp với ADC của bạn, MCU cung cấp các giao diện tốc độ thấp tiêu chuẩn để thu thập dữ liệu từ các thiết bị ngoại vi khác.

Ngoài các giao diện tốc độ thấp và cao, số lượng kênh ADC, và tốc độ đồng hồ/tốc độ lấy mẫu, hai thông số kỹ thuật quan trọng khác cho thiết kế nút cảm biến bao gồm bộ nhớ trên bo và tiêu thụ năng lượng. Đối với tiêu thụ năng lượng, bạn sẽ muốn một thành phần với chế độ ngủ và kiểm soát đánh thức có điều kiện vì điều này sẽ giúp tiết kiệm năng lượng.

Cuối cùng, MCU có số lượng kênh ADC cao đôi khi có các kênh này được phân bổ trên nhiều ADC chạy song song, thay vì một ADC duy nhất với tất cả các kênh có sẵn. Sử dụng nhiều ADC cho phép triển khai xen kẽ, nơi tốc độ lấy mẫu được tăng lên bằng cách áp dụng một độ lệch pha vào đầu ra từ mỗi ADC. Nói cách khác, nếu linh kiện chứa N ADC, thì xen kẽ cho phép tốc độ lấy mẫu được tăng lên bằng một yếu tố N.

Một số MCU có Số Lượng Kênh ADC Cao

Microchip, Dòng PIC32MZ

Dòng PIC32MZ của MCU từ Microchip là một phần của gia đình Kết nối Nhúng (EC) của công ty. Các linh kiện này cung cấp tới 48 kênh analog với độ phân giải 10-bit, 1 MSPS, và nguồn kích hoạt ADC bên ngoài độc lập. Lõi ARM Cortex M4 32-bit hoạt động ở tốc độ tới 200 MHz. Các dạng chân khác nhau chứa một loạt số lượng I/O khác nhau để kết nối với các thiết bị ngoại vi, cũng như các giao diện tiêu chuẩn (I2C/SPI/I2S) và giao diện đồ họa EBI hoặc PMP. Các giao diện tốc độ cao bao gồm bộ điều khiển USB 2.0 và MAC Ethernet 10/100 với giao diện MII và RMII.

Sơ đồ khối cốt lõi của dòng PIC32MZ. Từ tài liệu dữ liệu MCU dòng PIC32MZ.

STMicroelectronics, STM32F405xx và STM32F407xx

Dòng STM32 của MCU 32-bit từ STMicroelectronics có lẽ là MCU phổ biến nhất trên thị trường tiếp theo sau MCU của Atmel (nổi tiếng với Arduino). STM32F405xx và STM32F407xx bao gồm 3 ADC tích hợp, mỗi cái với 16 kênh và độ phân giải 12 bit. Việc lấy mẫu được cung cấp với tốc độ tới 2.4 Msps và truy cập Flash 30 MHz với VDD = 3.0 đến 3.6 V (tốc độ đồng hồ công suất đầy đủ 60 MHz). Ngoài ra, các ADC trong các linh kiện này có thể hoạt động ở 7.2 Msps với 24 kênh trong chế độ xen kẽ. Hai linh kiện này chứa một số giao diện tiêu chuẩn (SPI/I2C/UART), tới 140 I/O, PHY USB 2.0, và MAC Ethernet 10/100.

Texas Instruments, Dòng TM4C123x

Dòng TM4C123x của MCU từ Texas Instruments bao gồm tới 24 kênh ADC với độ phân giải 12-bit với tốc độ lấy mẫu tới 2 Msps. Linh kiện này chạy trên lõi ARM Cortex M4F (tốc độ đồng hồ 120 MHz) với tới 1 MB Flash và 256 KB RAM nội bộ. Để truy cập vào các thiết bị ngoại vi và cảm biến khác, các giao diện khác bao gồm UART, I2C, SPI, và CAN, cũng như 40 đầu ra PWM. Bao gồm PHY USB 2.0 và MAC Ethernet 10/100. Tốc độ lấy mẫu cao, độ phân giải, và số lượng kênh ADC trong dòng MCU này làm cho chúng trở thành lựa chọn xuất sắc cho các nút cảm biến trong xe cộ, môi trường công nghiệp, robot, và giao diện máy người. Danh sách đầy đủ các tính năng được hiển thị trong sơ đồ khối dòng TM4C123x dưới đây.

Sơ đồ khối TM4C123x. Từ errata datasheet MCU TM4C123x.

Các thành phần khác cho Thiết kế Trung tâm Cảm biến

Ngoài các cảm biến thực tế, có những thành phần khác bạn sẽ cần trong thiết kế của mình để cung cấp khả năng cảm biến ổn định từ nhiều cảm biến. Kết nối không dây và giao diện mạng/tính toán cũng rất quan trọng vì trung tâm cảm biến cần được tích hợp vào một hệ sinh thái lớn hơn. Ngoài ra, có một số thành phần thu thập và điều kiện tín hiệu bạn có thể sử dụng để đảm bảo việc thu thập chính xác.

Các nút cảm biến do MCU điều khiển cần một loạt các thành phần, và bạn có thể sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart để tìm các bộ phận bạn cần. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu của nhà phân phối và thông số kỹ thuật của bộ phận, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp tuyến tính của chúng tôi để tìm các thành phần bạn cần.

Luôn cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.