Selbst in Anwendungen, in denen der Temperatursensor nicht der primäre Sensor ist, wird er als sekundärer Sensor eingesetzt, um die tatsächliche Ausgabe anderer Sensoren wie Druck-, Wäge- oder pH-Sensoren zu kompensieren. Aktuell werden solche Systeme mit mehreren Chips realisiert. Dies stellt Systementwickler vor verschiedene Herausforderungen, beispielsweise die Auswahl optimaler Komponenten, die eine Bewertung von Preisen und Leistung erfordert, den Einkauf bei verschiedenen Anbietern und die Kombination dieser Komponenten zu einem Gesamtsystem. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die effiziente Nutzung eines neuen System-on-a-Chip (SoC), das die Entwicklung vereinfacht und die Herstellung leistungsstarker, skalierbarer Produktplattformen ermöglicht.
Abbildung 1 zeigt eine traditionelle Implementierung eines Anwendungsbeispiels zur Temperaturmessung mit einem Thermoelement, einem Thermistor zur Kaltstellenmessung und einer 4-Draht-Lüftersteuerung.
Eine herkömmliche Implementierung verwendet mehrere Geräte zur Vorspannung und Messung des Sensorsignals, zur Verarbeitung des Messsignals und zur Erzeugung eines Steuersignals. Dies erfordert diverse Entscheidungen sowie die Durchführung von Design- und Evaluierungsmaßnahmen, wie im Blockdiagramm der gesamten Signalkette in Abbildung 2 dargestellt. Das Blockdiagramm enthält Beispiele für Geräte in jedem Block und die jeweiligen Auswahlkriterien. Beispielsweise kann die Temperaturmessung mit Sensoren wie Thermistoren, Thermoelementen, RTDs und Dioden erfolgen. Die analoge Schnittstelle kann eine Kombination aus Spannungsreferenz, Operationsverstärker und A/D-Wandler oder ein Strom-D/A-Wandler (IDAC) und A/D-Wandler sein. Die Auswahl eines oder mehrerer Sensoren erfolgt anhand des Temperaturbereichs, der Genauigkeit und der Kosten. Die Auswahl der analogen Schnittstellengeräte basiert auf dem gewählten Sensor, der Genauigkeit, den Kosten und weiteren Anforderungen. Dies ist keine einfache Aufgabe. Beispielsweise bietet ein großer Halbleiterhersteller allein für seine Operationsverstärker über 900 Artikelnummern an. Dieser Komponentenauswahlprozess muss für jedes Bauteil angewendet werden, was einen erheblichen Aufwand darstellt. Unterstützung in diesem Bereich wäre Ihnen sicherlich willkommen. Sie entwickeln wahrscheinlich eine Vielzahl von Produkten, um einen umfassenden Katalog zu erstellen, der die vielfältigen Bedürfnisse Ihrer Kunden abdeckt (siehe Abbildung 4). Um dies zu erreichen, muss die Komponentenauswahl für verschiedene Preisklassen und Leistungsstufen wiederholt werden. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die von Ihnen als am besten geeignet erachteten Bauteile keine kompatiblen Pins aufweisen. Daher benötigen Sie mehrere Leiterplattenlayouts für Ihren gesamten Katalog.
Sobald die Komponente ausgewählt ist, werden Prototypen erstellt, um das Design zu validieren. Da Sie Komponenten von verschiedenen Herstellern beziehen, benötigen Sie ergänzende Tools, die den unterschiedlichen Herausforderungen im Systemdesign gerecht werden. Beispielsweise konzentrieren sich Evaluierungsboards und Applikationshinweise von Herstellern analoger Schaltungen häufig auf die Schwierigkeiten des analogen Designs und liefern keinen Code für den Mikrocontroller, der Kalibrierungs- und Linearisierungsalgorithmen beinhaltet. Dies gilt oft selbst dann, wenn die analoge Schaltung und der Mikrocontroller vom selben Hersteller stammen.
Sie sind sich der Herausforderungen dieses Designs bewusst, und die naheliegende Frage ist: Wie lässt sich das Problem lösen? Idealerweise benötigen Sie eine Ein-Chip-Lösung, die mit den verschiedenen verwendeten Temperatursensoren kompatibel ist. Sie sollte softwarekonfigurierbar sein und verschiedene Pinbelegungen zur Bewertung von Preis und Leistung bieten. Sind all diese Anforderungen erfüllt, können Sie eine einzige Leiterplatte entwickeln, die mit mehreren Versionen des Endprodukts kompatibel ist. Noch besser ist es, wenn der Lieferant Lösungen anbietet, die das Systemdesign für diese Sensoren vollständig abdecken. So müssen Sie keine zusätzlichen Tools verschiedener Anbieter kombinieren, um Ihr endgültiges System zu erstellen.
Dank Fortschritten in der Halbleitertechnologie gibt es glücklicherweise Lösungen wie System-on-Chip (SoC). Die programmierbaren SoC-Bausteine PSoC 3 und PSoC 5 von Cypress sind ein Beispiel dafür. Sie enthalten alle leistungsstarken analogen Blöcke, die für den Anschluss von analogen Sensoren, Mikrocontrollern, digitalen Peripheriegeräten und programmierbarer digitaler Logik benötigt werden (siehe Abbildung 3). Die Spannungsreferenzen der analogen Schnittstellenversorgung versorgen den Thermistor und den Analog-Digital-Wandler (ADC). Der ADC misst die Spannungen am Thermistor und Thermoelement durch Multiplexing verschiedener Eingänge mittels eines Analogmultiplexers. Das System umfasst außerdem den IDAC, Operationsverstärker und Spannungs-Digital-Analog-Wandler (VDAC) zur Messung der anderen Temperatursensoren. Programmierbare Routing- und Verbindungsstrukturen ermöglichen das Ändern der Verbindungen zwischen den Blöcken, ohne die Leiterplatte modifizieren zu müssen. So kann ein einzelner Chip durch einfaches Ändern der Firmware viele verschiedene Sensorverbindungen unterstützen.
System-on-a-Chips (SoCs) senken die Kosten durch die Integration von Signalverarbeitungsblöcken. Das Verständnis eines neuen Systems erfordert jedoch einen anfänglichen Zeitaufwand seitens des Entwicklers. Dieser Aufwand lässt sich durch Lösungen minimieren, die vorkonfigurierte Blöcke für die Signalverarbeitung und anwendungsspezifische Anwendungen mit einfach reprogrammierbaren Optionen bieten. Cypress bietet beispielsweise Sensorkomponenten an, die sich leicht für Sensoren oder die Signalverarbeitung modifizieren lassen. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für die Konfiguration einer Komponente für einen Thermistorsensor. Der Entwickler kann einen spezifischen Eingang für den gewählten Thermistor hinzufügen, und der Code wird automatisch basierend auf dem Sensor generiert. Diese grafischen Benutzeroberflächen ermöglichen nicht nur die Kontrolle über die Sensorauswahl, sondern auch über die Implementierungsmethode. So kann der Entwickler beispielsweise nach Bewertung von Speicherplatzbedarf und Genauigkeit für das Projekt zwischen der Look-Up-Table- (LUT-) und der Gleichungsmethode wählen.
Diese Komponenten bieten zusammen mit den zugehörigen Firmware-Beispielen in den Applikationshinweisen Ingenieuren eine leistungsstarke Ausgangsbasis. Einige dieser Lösungen lassen sich kombinieren, um eine speziell auf eine bestimmte Anwendung zugeschnittene Lösung zu erstellen. Cypress stellt beispielsweise die Firmware und Applikationshinweise für die Temperaturmessung mit Thermoelementen und Thermistoren bereit. Diese Lösung kann mit der Lüftersteuerungskomponente kombiniert werden, um das in diesem Artikel beschriebene Anwendungsbeispiel zu realisieren. Abbildung 5 zeigt die Implementierung dieses Systems mit der PSoC Creator-Software von Cypress.
Ein System-on-a-Chip (SoC) mit zusätzlichen Funktionen wie den Sensor- und Steuerungskomponenten von Cypress vereinfacht den Designprozess. Um eine wirklich umfassende Temperaturmesslösung zu realisieren, muss das System sowohl Sensoren als auch eine Temperaturregelung beinhalten. Derzeit sind auf dem Markt Kits und Evaluierungsboards mit integrierten Sensoren oder Anschlussmöglichkeiten für externe Sensoren erhältlich. Viele dieser Boards sind jedoch nur für einen Sensor ausgelegt und erfordern bei einem Wechsel des Temperatursensors ein anderes Board. Eine bessere Alternative bieten Kits wie das CY8CKIT-025 von Cypress, das die Evaluierung mehrerer Sensoren auf einem einzigen Board ermöglicht (Abbildung 6).
Dieses Kit kann an ein Standard-CY8CKIT-030-Evaluierungsboard, das PSoC-Gerät, angeschlossen und mit den mitgelieferten Firmware-Beispielen programmiert werden. Eines der Firmware-Projekte dient der präzisen Temperaturmessung und verbindet alle Temperatursensoren im selben Projekt. Es bietet zusätzliche Funktionen wie Kalibrierung und Offsetkompensation mittels korrelierter Doppelabtastung (CDS). Die Leistung dieses Kits, insbesondere für Thermoelemente, lag im Vergleich zum Fluke 725 Kalibrator bei weniger als ±0,3 °C im Temperaturbereich von -200 °C bis 1300 °C. Dies zeigt, wie gering der Aufwand für eine hochpräzise Temperaturmesslösung ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Ein-Chip-Lösung mit zugehörigen Systemdesign-Tools die Auswahl der richtigen Lösung für Ihr Produkt erheblich vereinfachen kann. Dadurch sind weniger Designversionen erforderlich, um Ihren Produktkatalog abzudecken, die Markteinführungszeit wird verkürzt und die Produktzuverlässigkeit durch die Verringerung der Bauteilanzahl erhöht.
Autor:
Archana Yarlagadda und Gaurang Kavaiya. Zypresse.
