Giảm độ phức tạp của hệ thống với các IC giao tiếp cảm biến tín hiệu hỗn hợp

Thiết kế giao tiếp cảm biến không nhất thiết phải quá phức tạp, nhưng trên thực tế thường lại như vậy. Giao tiếp cảm biến có thể cần các ASIC chuyên dụng cho một số loại cảm biến nhất định, các khối analog front end được thiết kế riêng, hoặc một giao tiếp số đơn giản cho các cảm biến có đầu ra số. Ở một mức độ nào đó, phân khúc IoT của ngành công nghiệp bán dẫn đã nhận ra điều này, và nhiều thiết bị cảm biến đã hội tụ về I2C như một giao thức phổ biến để thu thập dữ liệu từ cảm biến. Tuy vậy, vẫn còn nhiều thiết bị cảm biến không thể sử dụng I2C và vẫn sẽ cần đầu vào ADC hoặc một analog front end tùy chỉnh.

Thay vì xây dựng analog front end từ các linh kiện rời rạc, các bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp lập trình được mang lại một lộ trình nhanh hơn. Những linh kiện này cung cấp một khối xử lý analog có thể tùy biến cùng với logic số, khiến chúng trở thành giải pháp rất phù hợp để thiết kế các giao tiếp đa cảm biến tùy chỉnh. Hãy cùng xem mọi thứ hoạt động như thế nào trong bài viết này.

Cần gì cho các giao tiếp đa cảm biến

Cách tiếp cận phổ biến để thiết kế giao tiếp đa cảm biến thường xoay quanh một vi điều khiển chịu trách nhiệm xử lý và thu thập dữ liệu từ các cảm biến có đầu ra số, phổ biến nhất là qua I2C hoặc SPI. Các giao thức này đã trở thành tiêu chuẩn trong nhiều hệ sinh thái cảm biến vì chúng đơn giản hóa đường thu thập dữ liệu: MCU thăm dò hoặc nhận ngắt từ các cảm biến số, đọc thanh ghi qua bus nối tiếp và xử lý dữ liệu thu được trong firmware. Đối với các hệ thống chỉ cần đầu vào từ cảm biến số, kiến trúc này rất trực quan và được hầu hết các họ MCU hỗ trợ tốt.

Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống cảm biến trong thực tế cũng cần thu nhận tín hiệu analog, và các tín hiệu này phải được điều hòa trước khi số hóa. Điều này có nghĩa là hệ thống cần một ADC, và ở phía trước ADC là các mạch khuếch đại để điều hòa tín hiệu. Bộ khuếch đại đo lường, bộ khuếch đại chuyển dòng-điện áp, hoặc các tầng khuếch đại đơn giản là những lựa chọn phổ biến tùy theo loại cảm biến và dải đầu ra. Việc lọc cũng thường cần thiết để loại bỏ nhiễu trước khi tín hiệu đến đầu vào bộ chuyển đổi.

Bản thân ADC cũng tạo thêm gánh nặng thiết kế. Dù là bộ chuyển đổi độc lập hay được tích hợp trong MCU, đầu vào analog thường vẫn cần một mạch driver để cung cấp trở kháng nguồn phù hợp cho mạng lấy mẫu và giữ mẫu. Nếu không được driver đúng cách, thời gian thu nhận của ADC có thể không đủ, dẫn đến sai số hệ số khuếch đại hoặc phi tuyến. Khi tín hiệu đã được số hóa, firmware ứng dụng của MCU sẽ đảm nhiệm các bước xử lý tiếp theo, hiệu chuẩn và truyền thông. Kết quả là một hệ thống có nhiều tầng analog rời rạc, mỗi tầng đều đòi hỏi lựa chọn linh kiện cẩn thận, cân nhắc về bố trí mạch và thẩm định, tất cả trước khi dữ liệu kịp đi vào miền số để MCU có thể xử lý.

Cách tiếp cận điển hình với MCU

Kiến trúc tiêu chuẩn cho việc thu thập dữ liệu cảm biến đặt MCU ở trung tâm hệ thống. MCU phát hiện trực tiếp đầu ra cảm biến số qua các bus I2C hoặc SPI và, với tín hiệu analog, thu nhận chúng thông qua chân ADC tích hợp. Sơ đồ khối của kiến trúc này cho thấy MCU được kết nối với nhiều cảm biến số ở một phía và với mạch điều hòa tín hiệu analog đưa vào đầu vào ADC ở phía còn lại.

Cấu trúc này khiến MCU và các bộ xử lý số khác trở thành lựa chọn rất tốt để thu thập dữ liệu từ các cảm biến có đầu ra số. Các giao tiếp ngoại vi nối tiếp này đã rất hoàn thiện, được tài liệu hóa đầy đủ và được hỗ trợ bởi thư viện driver phong phú. Tuy nhiên, MCU cung cấp rất ít hỗ trợ cho tín hiệu analog ngay trong cùng con chip. ADC tích hợp cung cấp chức năng chuyển đổi, nhưng không cung cấp phần điều hòa đầu vào mà hầu hết cảm biến analog đều cần. Không có khuếch đại lập trình được, không có bộ lọc cấu hình được và cũng không có khả năng định tuyến analog linh hoạt bên trong chính MCU.

Dù sử dụng ADC tích hợp trong MCU hay một ADC độc lập bên ngoài để thu nhận tín hiệu analog, nhà thiết kế vẫn phải đối mặt với cùng một bài toán thiết kế analog ở cấp độ bo mạch:

• Lựa chọn op-amp và thiết lập điện trở khuếch đại cho dải tín hiệu yêu cầu
• Thiết kế các bộ lọc chống aliasing phù hợp với tốc độ lấy mẫu của ADC
• Bố trí analog front end với sự chú ý thích hợp đến nhiễu, nối đất và sai số dung sai linh kiện

Analog front end vẫn là một bài toán thiết kế rời rạc ở cấp bo mạch, bất kể phần xử lý số của hệ thống có mạnh đến đâu.

Một cách tiếp cận tốt hơn với xử lý tín hiệu hỗn hợp lập trình được

Các bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp lập trình được mang đến một kiến trúc hoàn toàn khác cho giao tiếp cảm biến. Thay vì thiết kế các mạch điều hòa analog rời rạc trên PCB rồi định tuyến tín hiệu đã được điều hòa sang một thiết bị số riêng biệt, bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp lập trình được triển khai analog front end ngay bên trong chip. Nhà thiết kế cấu hình các khối analog nội bộ, chẳng hạn như bộ khuếch đại thuật toán, bộ so sánh analog, điện áp tham chiếu và bảng tra cứu, thông qua phần mềm thay vì lựa chọn linh kiện vật lý và bố trí bo mạch. Kết quả về bản chất giống như một CPLD cho tín hiệu analog: một thiết bị có thể cấu hình lại, trong đó đường xử lý analog có thể được định nghĩa, sửa đổi và xác minh lại mà không cần làm lại bo mạch.

Khả năng lập trình này trực tiếp làm giảm độ phức tạp của hệ thống. Các tầng khuếch đại, bộ phát hiện ngưỡng và các chức năng lọc đơn giản vốn cần nhiều linh kiện rời rạc cùng việc định tuyến PCB cẩn thận giờ được gom vào trong một IC duy nhất. Diện tích bo mạch tiết kiệm có thể lên đến 90% so với các giải pháp rời rạc tương đương, và chu kỳ lặp thiết kế cũng rút ngắn đáng kể vì các thay đổi được thực hiện trong phần mềm cấu hình thay vì phải sửa sơ đồ nguyên lý và layout.

Renesas GreenPAK là một họ IC tín hiệu hỗn hợp lập trình được, kết hợp các khối analog (bộ khuếch đại thuật toán, bộ so sánh analog) với các khối logic số (LUT, flip-flop, bộ đếm, bộ tạo trễ) trong một gói kích thước nhỏ duy nhất. Các thiết bị GreenPAK là loại lập trình một lần hoặc có thể lập trình lại tùy theo biến thể, và có sẵn trong các gói nhỏ tới 1.0 mm × 1.2 mm. Các tài nguyên nội bộ có trong một thiết bị GreenPAK điển hình bao gồm:

• Op-amp có thể cấu hình với hệ số khuếch đại lập trình được
• Bộ so sánh analog với ngưỡng và độ trễ có thể chọn
• LUT số, flip-flop, bộ đếm và bộ tạo trễ
• Giao tiếp truyền thông I2C hoặc SPI để tích hợp hệ thống

Nhà thiết kế có thể xây dựng và mô phỏng một analog front end cho linh kiện GreenPAK bằng phần mềm Go Configure của Renesas. Công cụ này cung cấp môi trường thiết kế đồ họa, nơi các tài nguyên analog và số nội bộ được kết nối trực quan, được mô phỏng để kiểm tra tính đúng đắn chức năng, sau đó được lập trình trực tiếp vào thiết bị thông qua bộ kit phát triển.

Môi trường phần mềm Go Configure hiển thị một thiết kế Renesas GreenPAK.

Để tìm hiểu thêm, hãy xem các linh kiện GreenPAK và các ví dụ tham chiếu.

• Tìm hiểu thêm về các linh kiện GreenPAK
• Xem các giải pháp mở rộng I/O GreenPAK

Dù bạn cần xây dựng thiết bị điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB hoàn chỉnh và các công cụ CAD đẳng cấp thế giới do Altium cung cấp để hiện thực hóa các giải pháp GreenPAK của bạn. Altium cung cấp nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, hoàn chỉnh với các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành dành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay