Même dans les applications où le capteur de température n'est pas le capteur principal, il est utilisé comme capteur secondaire pour compenser le signal de sortie réel, comme pour les capteurs de pression, de force ou de pH. Actuellement, ces systèmes sont conçus avec plusieurs puces. Cela pose plusieurs défis au concepteur de systèmes, notamment la recherche des composants optimaux, qui nécessite d'évaluer les prix et les performances, de s'approvisionner auprès de différents fournisseurs et de les combiner pour concevoir un système complet. Dans cet article, nous nous concentrerons sur l'utilisation efficace d'un nouveau système sur puce (SoC) capable de simplifier la conception et de permettre le développement de plateformes de produits évolutives et performantes.
La figure 1 montre une implémentation traditionnelle d'un exemple d'application pour la détection de température utilisant un thermocouple, avec une thermistance pour la mesure de la jonction froide et une commande de ventilateur à 4 fils.
Une implémentation traditionnelle utilise plusieurs dispositifs pour polariser et mesurer le signal du capteur, traiter ce signal et générer un signal de commande. Cela implique de prendre plusieurs décisions, ainsi que de réaliser des études de conception et des évaluations, comme illustré dans le schéma fonctionnel de la chaîne de signal (Figure 2). Ce schéma fournit des exemples de dispositifs pour chaque bloc et les critères de sélection. Par exemple, la mesure de température peut être effectuée avec des capteurs tels qu'une thermistance, un thermocouple, une sonde RTD ou une diode. L'interface analogique peut être une combinaison d'une référence de tension, d'un amplificateur opérationnel et d'un convertisseur analogique-numérique (CAN), ou d'un convertisseur numérique-analogique de courant (CNA-IC) et d'un CAN. Le choix d'un ou plusieurs capteurs dépend de leur plage de température, de leur précision et de leur coût. Un ensemble de dispositifs d'interface analogique est sélectionné en fonction du capteur choisi, de la précision, du coût et d'autres exigences. Cette tâche est complexe. À titre d'exemple, un grand fabricant de semi-conducteurs propose plus de 900 références pour ses seuls amplificateurs opérationnels. Ce processus de sélection des composants doit être appliqué à chaque élément, ce qui représente une charge de travail considérable. Une assistance à ce sujet serait donc précieuse. Vous concevez probablement une gamme de produits afin de créer un catalogue complet répondant aux divers besoins de vos clients, comme illustré à la figure 4. Pour ce faire, le processus de sélection des composants doit être répété pour différents niveaux de prix et de performance. Il est fort probable que les dispositifs que vous jugez les plus adaptés à votre catalogue ne possèdent pas de broches compatibles. Vous aurez donc besoin de plusieurs schémas de circuits imprimés pour l'ensemble de votre catalogue.
Une fois le composant sélectionné, l'étape suivante consiste à construire des prototypes pour valider la conception. Puisque vous vous procurerez des composants auprès de différents fournisseurs, vous devrez utiliser des outils adaptés aux diverses difficultés liées à la conception du système. Par exemple, les cartes d'évaluation et les notes d'application des fournisseurs de composants analogiques se concentrent souvent sur les difficultés de la conception analogique et ne fournissent pas le code du microcontrôleur, qui inclut les algorithmes d'étalonnage et de linéarisation. Cela est souvent vrai même si les circuits analogiques et le microcontrôleur proviennent du même fournisseur.
Vous êtes parfaitement conscient des défis que présente cette conception, et la question qui se pose naturellement est : quelle est la solution ? Idéalement, vous recherchez une solution monopuce capable de se connecter aux différents capteurs de température que vous utilisez. Vous souhaitez qu'elle soit configurable par logiciel et offre une variété de brochages pour évaluer le rapport prix/performances. Si toutes ces conditions sont remplies, vous pouvez concevoir une seule carte de circuit imprimé compatible avec plusieurs versions du produit final. Mieux encore, le fournisseur peut proposer des solutions couvrant intégralement la conception système de ces capteurs. Ainsi, vous n'aurez pas besoin d'utiliser des outils provenant de différents fournisseurs pour créer votre système final.
Heureusement, grâce aux progrès de la technologie des semi-conducteurs, des solutions comme le système sur puce (SoC) existent. Les dispositifs SoC programmables PSoC 3 et PSoC 5 de Cypress en sont un exemple. Ils intègrent tous les blocs analogiques hautes performances nécessaires à la connexion de capteurs analogiques, de microcontrôleurs, de périphériques numériques et de communication, ainsi que de circuits logiques numériques programmables, comme illustré sur la figure 3. Les références de tension de l'interface analogique alimentent la thermistance et le convertisseur analogique-numérique (CAN). Le CAN mesure les tensions aux bornes de la thermistance et du thermocouple en multiplexant les différentes entrées à l'aide d'un multiplexeur analogique. Le système comprend également le convertisseur analogique-numérique (IDAC), les amplificateurs opérationnels et les convertisseurs numérique-analogique de tension (VDAC) utilisés pour mesurer les autres capteurs de température. Le routage et l'interconnexion programmables permettent de modifier les connexions entre les blocs sans modifier le circuit imprimé. Ainsi, une seule puce peut prendre en charge de nombreuses interconnexions de capteurs différentes par simple modification du firmware.
Les systèmes sur puce (SoC) réduisent les coûts en intégrant les blocs de la chaîne de signaux, mais la compréhension d'un nouveau système exige un investissement initial en temps de la part du concepteur. Ce temps peut être minimisé grâce à des solutions intégrant des blocs préconfigurés pour le traitement du signal et des applications spécifiques, avec des options de reprogrammation simples. Par exemple, Cypress propose des composants de capteurs facilement modifiables pour différents types de capteurs ou pour le traitement du signal. La figure 4 illustre la configuration d'un composant pour un capteur à thermistance : le concepteur peut ajouter une entrée spécifique pour la thermistance choisie, et le code est généré automatiquement en fonction du capteur. Ces interfaces graphiques permettent de contrôler non seulement la sélection du capteur, mais aussi la méthode d'implémentation. Par exemple, le concepteur peut choisir entre une implémentation par table de correspondance (LUT) ou par équation, après avoir évalué l'espace mémoire et la précision requises pour le projet.
Ces composants, ainsi que les exemples de firmware associés dans les notes d'application, constituent un excellent point de départ pour les ingénieurs. Certaines de ces solutions peuvent être combinées afin de créer une solution spécifiquement adaptée à une application particulière. Par exemple, Cypress fournit le firmware et les notes d'application pour la mesure de température à l'aide de thermocouples et de thermistances. Cette solution peut être associée au composant de contrôle de ventilateur pour créer l'exemple d'application présenté dans cet article. La figure 5 illustre la mise en œuvre de ce système à l'aide du logiciel PSoC Creator de Cypress.
Un système sur puce (SoC) doté de fonctionnalités supplémentaires, comme les capteurs et composants de contrôle de Cypress, simplifie le cycle de conception. Pour aller plus loin et obtenir une solution de mesure de température véritablement complète, le système doit intégrer à la fois des capteurs et un système de contrôle de la température. Le marché actuel propose des kits et des cartes d'évaluation avec capteurs intégrés ou permettant le raccordement de capteurs externes. Nombre de ces cartes sont conçues pour un seul capteur et nécessitent donc d'être remplacées en cas de changement de capteur de température. Une meilleure alternative consiste à utiliser des kits, tels que le CY8CKIT-025 de Cypress, qui offre une fonctionnalité d'évaluation multi-capteurs sur une seule carte (Figure 6).
Ce kit peut être connecté à une carte d'évaluation standard CY8CKIT-030, au dispositif PSoC, et programmé à l'aide des exemples de firmware fournis. L'un de ces projets de firmware est dédié à la mesure précise de la température et permet de connecter tous les capteurs de température au sein d'un même projet. Il offre des fonctionnalités supplémentaires telles que l'étalonnage et la compensation du décalage grâce à une technique appelée double échantillonnage corrélé (CDS). Les performances de ce kit, notamment pour les thermocouples, comparées à celles du calibrateur Fluke 725, étaient inférieures à ±0,3 °C sur une plage de températures allant de -200 °C à 1300 °C. Ceci démontre la simplicité de mise en œuvre pour obtenir une solution de mesure de température de haute précision.
En résumé, une solution monopuce accompagnée d'outils de conception système peut grandement simplifier le choix de la solution adaptée à votre produit, nécessitant moins de versions de conception pour couvrir votre catalogue de produits, réduisant ainsi le délai de mise sur le marché et augmentant la fiabilité du produit en diminuant le nombre de composants.
Auteur:
Archana Yarlagadda et Gaurang Kavaiya. Cyprès.
