Даже в тех приложениях, где датчик температуры не является основным, он используется в качестве вторичного датчика для компенсации фактического выходного сигнала основного датчика, например, датчика давления, тензодатчика или датчика pH. В настоящее время такие системы проектируются с использованием нескольких микросхем. Это создает ряд проблем для разработчика системы, таких как поиск оптимальных устройств, что требует оценки цен и производительности, закупки у нескольких поставщиков и их комбинирования для проектирования полной системы. В этой статье мы сосредоточимся на эффективном использовании новой системы на кристалле (SoC), которая может упростить проектирование и обеспечить разработку высокопроизводительных масштабируемых платформ.
На рисунке 1 показана традиционная реализация примера применения датчика температуры с использованием термопары, термистора для измерения холодного спая и 4-проводного управления вентилятором.
Традиционная реализация использует несколько устройств для смещения и измерения сигнала датчика, обработки измеренного сигнала и генерации управляющего сигнала. Это требует принятия ряда решений, а также проектирования и оценки, как показано на общей блок-схеме сигнальной цепи на рисунке 2. Блок-схема содержит несколько примеров устройств для каждого блока и решений, связанных с их выбором. Например, измерение температуры может выполняться с помощью таких датчиков, как термистор, термопара, RTD и диод. Аналоговый интерфейс может представлять собой комбинацию источника опорного напряжения, операционного усилителя и АЦП, или цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и АЦП. Один или несколько датчиков выбираются на основе диапазона температур, точности и стоимости. Набор аналоговых интерфейсных устройств выбирается на основе выбранного датчика, точности, стоимости и других требований. Это непростая задача. Например, одна из крупных полупроводниковых компаний предлагает более 900 артикулов только для своих операционных усилителей. Процесс выбора компонентов необходимо применять к каждому товару, что является значительной задачей, и вам, безусловно, пригодилась бы помощь в этом отношении. Вероятно, вы разрабатываете множество продуктов для создания всеобъемлющего каталога, отвечающего разнообразным потребностям ваших клиентов, как показано на рисунке 4. Для достижения этой цели процесс выбора компонентов необходимо повторить для разных ценовых категорий и уровней производительности. Весьма вероятно, что устройства, которые вы считаете наиболее подходящими для вашего каталога, не будут иметь совместимых выводов. Это означает, что вам потребуется несколько вариантов компоновки печатных плат для всего вашего каталога.
После выбора компонента следующим шагом является создание прототипов для проверки конструкции. Поскольку вы будете приобретать компоненты у разных поставщиков, вам необходимо использовать сопутствующие инструменты, подходящие для решения различных задач, связанных с проектированием системы. Например, оценочные платы и примечания к применению от поставщиков аналоговых компонентов часто фокусируются на трудностях аналогового проектирования и не предоставляют код для микроконтроллера, который включает алгоритмы калибровки и линеаризации. Это часто верно, даже если аналоговая схема и микроконтроллер от одного и того же поставщика.
Вы прекрасно осведомлены о проблемах, связанных с этой конструкцией, и возникает естественный вопрос: какое решение? В идеале вам нужно решение на одном чипе, которое сможет подключаться к различным используемым вами датчикам температуры. Вам нужно, чтобы оно было программно конфигурируемым и предлагало широкий выбор выводов для оценки соотношения цены и производительности. Если все вышеперечисленное выполнено, вы можете разработать единую печатную плату, совместимую с несколькими версиями конечного продукта. Еще лучше, если поставщик сможет предложить решения, которые полностью охватывают системную конструкцию для этих датчиков. Таким образом, вам не нужно будет комбинировать вспомогательные инструменты от разных поставщиков для создания вашей конечной системы.
К счастью, благодаря достижениям в полупроводниковых технологиях, существуют такие решения, как системы на кристалле (SoC). Программируемые SoC-устройства PSoC 3 и PSoC 5 от Cypress — один из примеров. Они включают в себя все высокопроизводительные аналоговые блоки, необходимые для подключения к аналоговым датчикам, микроконтроллерам, цифровым и коммуникационным периферийным устройствам, а также программируемой цифровой логике, как показано на рисунке 3. Опорные напряжения от аналогового интерфейса подают напряжение на термистор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП используется для измерения напряжений на термисторе и термопаре путем мультиплексирования различных входов с помощью аналогового мультиплексора. Система также включает в себя IDAC, операционные усилители и цифро-аналоговые преобразователи напряжения (VDAC), используемые для измерения других датчиков температуры. Программируемая трассировка и межсоединения позволяют изменять соединения между блоками без модификации печатной платы. Таким образом, один чип может поддерживать множество различных соединений датчиков, просто изменяя микропрограммное обеспечение.
Системы на кристалле (SoC) снижают затраты за счет интеграции блоков обработки сигналов, но понимание новой системы требует от разработчика первоначальных временных затрат. Это можно минимизировать с помощью решений, которые включают предварительно сконфигурированные блоки для обработки сигналов и специализированные приложения с простыми возможностями перепрограммирования. Например, компания Cypress предлагает компоненты датчиков, которые легко модифицировать для работы с датчиками или обработки сигналов. На рисунке 4 показан пример конфигурации компонента для терморезисторного датчика, где разработчик может добавить определенный вход для выбранного терморезистора, и код автоматически генерируется на основе этого датчика. Эти графические пользовательские интерфейсы обеспечивают не только управление выбором датчика, но и методом реализации. Например, разработчик может выбрать между методом таблицы поиска (LUT) или методом уравнений для реализации после оценки занимаемого пространства и точности проекта.
Эти компоненты, наряду с соответствующими примерами микропрограммного обеспечения в примечаниях к применению, предоставляют инженерам мощную отправную точку. Некоторые из этих решений можно комбинировать для создания решения, специально разработанного для конкретного приложения. Например, компания Cypress предоставляет микропрограммное обеспечение и примечания к применению для измерения температуры с использованием термопар и термисторов. Это решение можно комбинировать с компонентом управления вентилятором для создания примера приложения, обсуждаемого в этой статье. На рисунке 5 показана реализация этой системы с использованием программного обеспечения PSoC Creator от Cypress.
Система на кристалле (SoC) с дополнительными функциями, такими как сенсорные и управляющие компоненты от Cypress, упрощает цикл проектирования. Чтобы пойти дальше и создать действительно комплексное решение для измерения температуры, система должна включать в себя как датчики, так и управление температурой. На современном рынке предлагаются комплекты и оценочные платы со встроенными датчиками или возможностью подключения внешних датчиков. Многие из этих плат являются платами с одним датчиком и потребуют замены при необходимости замены датчика температуры. Лучшей альтернативой является использование комплектов, таких как CY8CKIT-025 от Cypress, который предлагает функциональность оценки с использованием нескольких датчиков на одной плате (рис. 6).
Этот комплект можно подключить к стандартной оценочной плате CY8CKIT-030, устройству PSoC, и запрограммировать с помощью примеров прошивки, поставляемых в комплекте. Один из проектов прошивки предназначен для высокоточного измерения температуры, объединяя все датчики температуры в одном проекте. Он предлагает дополнительные функции, такие как калибровка и компенсация смещения с использованием метода коррелированной двойной выборки (CDS). Производительность этого комплекта, особенно для термопар, по сравнению с калибратором Fluke 725, составила менее ±0,3°C в диапазоне температур от -200°C до 1300°C. Это демонстрирует минимальные усилия, необходимые для достижения высокоточного решения для измерения температуры.
В заключение, решение на основе одного чипа с сопутствующими инструментами проектирования на системном уровне может значительно упростить выбор подходящего решения для вашего продукта, требуя меньшего количества вариантов проектирования для охвата всего каталога продукции, сокращая время выхода на рынок и повышая надежность продукта за счет уменьшения количества компонентов.
Автор:
Арчана Ярлагадда и Гауранг Кавайя. Кипарис.
