Mesmo em aplicações em que o sensor de temperatura não é o sensor principal, é utilizado como sensor secundário para compensar a saída real do sensor, como sensores de pressão, células de carga ou pH. Atualmente, estes sistemas são concebidos com múltiplos chips. Isto apresenta vários desafios para o projetista do sistema, como encontrar os dispositivos ideais, o que exige avaliar os preços e o desempenho, comprar a vários fornecedores e combiná-los para projetar um sistema completo. Neste artigo, iremos focar-nos na utilização eficiente de um novo sistema num chip (SoC) que pode simplificar o projeto e viabilizar o desenvolvimento de plataformas de produtos escaláveis e de alto desempenho.
A Figura 1 mostra uma implementação tradicional de um exemplo de aplicação para a deteção de temperatura utilizando um termopar, com um termistor para a medição da junção fria e um controlo de ventilador de 4 fios.
Uma implementação tradicional emprega diversos dispositivos para polarizar e medir o sinal do sensor, processar o sinal medido e gerar um sinal de controlo. Isto requer a tomada de diversas decisões, bem como a realização de projetos e avaliações, como se pode observar no diagrama de blocos da cadeia de sinal geral apresentado na Figura 2. O diagrama de blocos fornece alguns exemplos de dispositivos para cada bloco e as decisões envolvidas na sua escolha. Por exemplo, a medição de temperatura pode ser realizada com sensores como o termistor, termopar, RTD e díodo. A interface analógica pode ser uma combinação de uma referência de tensão, amplificador operacional e conversor A/D, ou um conversor D/A de corrente (IDAC) e conversor A/D. Um ou mais sensores são escolhidos com base na gama de temperatura, precisão e custo. É escolhido um conjunto de dispositivos de interface analógico com base no sensor selecionado, precisão, custo e outros requisitos. Esta não é uma tarefa simples. A título de exemplo, uma das grandes empresas de semicondutores oferece mais de 900 códigos de peças para os seus amplificadores operacionais. Este processo de seleção de componentes deve ser aplicado a cada item, o que representa uma tarefa significativa, e certamente que apreciaria alguma ajuda neste sentido. É provável que esteja a conceber uma variedade de produtos para criar um catálogo abrangente que satisfaça as diversas necessidades dos seus clientes, como se mostra na Figura 4. Para alcançar este objetivo, o processo de seleção de componentes deve ser repetido para diferentes gamas de preços e níveis de desempenho. É muito provável que os dispositivos que considera mais adequados para o seu catálogo não possuam pins compatíveis. Isto significa que precisará de vários layouts de placas de circuito impresso para todo o seu catálogo.
Após a seleção dos componentes, o passo seguinte é construir protótipos para validar o projeto. Como irá adquirir componentes a diferentes fornecedores, necessitará de utilizar ferramentas complementares adequadas aos diversos desafios envolvidos no design do sistema. Por exemplo, as placas de avaliação e as notas de aplicação de fornecedores de circuitos analógicos centram-se frequentemente nas dificuldades do design analógico e não fornecem o código para o microcontrolador, que envolve algoritmos de calibração e linearização. Isto ocorre normalmente mesmo quando o circuito analógico e o microcontrolador são do mesmo fornecedor.
Está bem ciente dos desafios que este projeto apresenta, e a pergunta natural é: qual é a solução? Idealmente, pretende uma solução de chip único que se possa ligar aos diversos sensores de temperatura que está a utilizar. Pretende que seja configurável por software e ofereça uma variedade de pinagens para avaliar o preço e o desempenho. Se todos os requisitos acima forem cumpridos, poderá conceber uma única placa de circuito impresso compatível com várias versões do produto final. Melhor ainda, o fornecedor pode oferecer soluções que cubram completamente o design do sistema para estes sensores. Desta forma, não precisa de combinar ferramentas complementares de diferentes fornecedores para criar o seu sistema final.
Felizmente, graças aos avanços na tecnologia de semicondutores, já existem soluções como o System-on-Chip (SoC). Os dispositivos SoC programáveis PSoC 3 e PSoC 5 da Cypress são um exemplo. Incluem todos os blocos analógicos de alto desempenho necessários para a ligação a sensores analógicos, microcontroladores, periféricos digitais e de comunicação, e lógica digital programável, como se mostra na Figura 3. As referências de tensão da interface analógica fornecem tensão ao termistor e ao conversor analógico-digital (ADC). O ADC é utilizado para medir as tensões no termistor e no termopar, multiplexando diferentes entradas através de um multiplexador analógico. O sistema inclui também o IDAC, amplificadores operacionais e conversores digital-analógico de tensão (VDACs) utilizados para medir os outros sensores de temperatura. O encaminhamento e a interligação programáveis facilitam a alteração das ligações entre os blocos sem modificar a placa de circuito impresso. Desta forma, um único chip pode suportar diversas interligações de sensores, bastando para isso alterar o firmware.
Os sistemas em chip (SoCs) reduzem os custos ao integrar blocos de cadeia de sinal, mas a compreensão de um novo sistema exige um investimento inicial de tempo por parte do projetista. Isto pode ser minimizado com soluções que incorporam blocos pré-configurados para processamento de sinal e aplicações específicas com opções de reprogramação simples. Por exemplo, a Cypress fornece componentes de sensores fáceis de modificar para sensores ou processamento de sinal. A Figura 4 ilustra um exemplo de configuração de componentes para um sensor termistor, onde o projetista pode adicionar uma entrada específica para o termistor escolhido e o código é gerado automaticamente com base no sensor. Estas interfaces gráficas de utilizador oferecem controlo não só sobre a seleção do sensor, mas também sobre o método de implementação. Por exemplo, o projetista pode escolher entre o método de tabela de consulta (LUT) ou o método de equação para implementação após avaliar o espaço e a precisão necessários para o projeto.
Estes componentes, juntamente com os exemplos de firmware relacionados nas notas de aplicação, proporcionam aos engenheiros um ponto de partida robusto. Algumas destas soluções podem ser combinadas para criar uma solução especificamente adaptada a uma determinada aplicação. Por exemplo, a Cypress fornece o firmware e as notas de aplicação para a medição de temperatura utilizando componentes de termopar e termistor. Esta solução pode ser combinada com o componente de controlo de ventoinhas para criar o exemplo de aplicação discutido neste artigo. A Figura 5 mostra a implementação deste sistema utilizando o software PSoC Creator da Cypress.
Um sistema num chip (SoC) com características adicionais, como os componentes de sensor e de controlo da Cypress, simplifica o ciclo de design. Para ir mais além e alcançar uma solução de deteção de temperatura verdadeiramente abrangente, o sistema deve incluir tanto sensores como controlo de temperatura. O mercado atual oferece alguns kits e placas de avaliação com sensores integrados ou opções para ligação de sensores externos. Muitas destas placas são de sensor único e requerem placas diferentes quando o sensor de temperatura tem de ser trocado. Uma alternativa melhor é utilizar kits, como o CY8CKIT-025 da Cypress, que oferece a funcionalidade de avaliação multissensor numa única placa (Figura 6).
Este kit pode ser ligado a uma placa de avaliação padrão CY8CKIT-030, ao dispositivo PSoC e programado com os exemplos de firmware fornecidos. Um dos projetos de firmware é para a deteção de temperatura de alta precisão, que liga todos os sensores de temperatura num único projeto. Oferece características adicionais, como calibração e cancelamento de offset, utilizando uma técnica chamada amostragem dupla correlacionada (CDS). O desempenho deste kit, especialmente para termopares, em comparação com o calibrador Fluke 725, foi inferior a ±0,3 °C na gama de temperaturas de -200 °C a 1300 °C. Isto demonstra o mínimo esforço necessário para obter uma solução de deteção de temperatura de alta precisão.
Em resumo, uma solução de chip único com ferramentas de design de sistema integradas pode simplificar bastante a seleção da solução ideal para o seu produto, exigindo menos versões de design para abranger o seu catálogo de produtos, reduzindo o tempo de lançamento no mercado e aumentando a fiabilidade do produto ao diminuir o número de componentes.
Autor:
Archana Yarlagadda e Gaurang Kavaiya. Cipreste.
