IoT znamená čidla i signálovou trasu. Platformu nevyjímaje

Svět internetu věcí je neskutečně pestrý a rozmanité zde bývají rovněž cesty, které během vývoje dílčího systému nakonec povedou ke vzniku prototypu. Pokud si jako „průvodce“ vyberete společnost Renesas Electronics, čekají na vás nově nejen integrované obvody zajišťující celkové zpracování signálů z různých odporových snímačů nebo senzory relativní vlhkosti a teploty, ale třeba i jedinečná návrhová platforma Quick-Connect IoT [1].

AFE zakončený jádrem ARM

Vytěžit z některých druhů senzorů potřebné informace může být hodně náročné, zvláště když potřebujeme v návrhu zajistit opravdu precizní výstupy. Co kdyby ale spoustu práce za nás rovnou odvedla jediná, vhodně zvolená součástka? V Renesas rádi souhlasí, vždyť zde také mají různých obvodů typu SSC odkazujících na „sensor signal conditioning“ hned několik – na webových stránkách DPS Elektronika od A do Z jsme psali též v [2].

Obr. 1  Ke svižnému vývoji systémů IoT „přizvěte“ standardní hardwarové i softwarové stavební bloky od firmy Renesas. Hodit se ale budou i další diskrétní prvky [1]

Pro dnešek začneme s aktuální novinkou v podobě prvků ZSSC3281. Pokud se probereme nabídkou integrovaných řešení takového druhu, která s ohledem na průmyslové a také spotřební záležitosti zahrnují přinejmenším čtrnáct různých součástek, budou struktury, jejichž zjednodušené vnitřní zapojení sledujeme na obr. 2, určitým způsobem vyčnívat. Třeba kvůli podpoře dvou signálových tras nebo rozlišení analogově-číslicových převodníků, které zde dosahuje dvaceti čtyř bitů.

Obr. 2  Struktura ZSSC3281 se na pozici kompletního bloku zajišťujícího zpracování signálu dokáže přizpůsobit potřebám prakticky všech odporových snímačů můstkového typu, ale nejen jim. Za zmínku stojí též přítomné jádro ARM [3]

Jak ostatně plyne z nákresu, od polovodičové struktury v různých provedeních, s dostupností také v pouzdrech typu QFN se čtyřiceti vývody, a pro teploty od –40 do +85 ºC, příp. až +125 ºC, lze očekávat vysoce přesné zesílení, digitalizaci a další korekci signálů, příznačnou pro zvolený typ snímače. Obvody ZSSC3281 se totiž budou z pozice rozšířeného front-endu (AFE) hodit právě pro odporové senzory v konfiguraci plného či polovičního můstku (od 1 mV/V až do 500 mV/V), stejně jako prvky typu Pt100 nebo diod určených k měření teploty, kterým zde bude potřebné napájení zajišťovat proudový zdroj přítomný na čipu.

Číslicově řešená kompenzace offsetu snímače, jeho citlivosti, teplotního driftu nebo též nelinearity se konečně odehrává v rámci 32bitového jádra ARM M3, na kterém „poběží“ příslušné korekční algoritmy, zatímco kalibrační koeficienty máme k dispozici v programovatelné non-volatilní paměti. Ke čtení změřených úrovní a také programování celé součástky poslouží digitální rozhraní I²C, SPI nebo OWI, tedy „one-wire interface“. Výrobce však nepodceňuje ani význam přerušení, tradičního analogového rozhraní díky 16bitovému D/A převodníku s podporou skutečných nulových výstupů či proudové smyčky 4 až 20 mA – viz také obr. 3. Vlastní diagnostika integrovaného obvodu ZSSC3281 zde navíc může zahrnovat připojení senzoru, self-test AFE či integritu paměti [3].

Obr. 3  Ke dvoudrátovému režimu s proudovou smyčkou, řešenou díky analogovému výstupu AOUT [3]

Vlhkost s 1,5 %

Zdaleka ne každý snímač bude mít specifické požadavky, které je vhodné ošetřit s výše uvedenými součástkami. V řadě aplikací si navíc vystačíme s prostým stanovením relativní vlhkosti a teploty. Ani to však neznamená, že můžeme zbytečně slevovat z požadavků na přesné výstupy. Nová rodina čidel HS4xxx od firmy Renesas Electronics [4] totiž nabídne informaci o relativní vlhkosti s typickou přesností ±1,5 % (viz také znázornění na obr. 4), zatímco u teploty se v rámci rozsahu od –10 až do +80 ºC dostáváme na typickou hodnotu ±0,2 °C.

Obr. 4  Typická tolerance může při měření relativní vlhkosti s novými kombinovanými čidly HS4001 dosahovat i ±1,5 %. Další tři prvky stejné rodiny, napájené od 1,71 V, již ale budou k měření přistupovat o něco „volněji“ [4]

Systém nyní počítá s analogovým či digitálním výstupem (HS4101, resp. HS4001), přičemž součástka „zakončená“ rozhraním I²C se vedle rychlé odezvy, která u RH dosahuje čtyř vteřin, může dále pochlubit i mimořádnou stabilitou, pokud jde o dlouhodobý časový faktor – stárnutí. Za předpokladu osmibitového rozlišení a napájení ze zdroje 3,3 V činí proudový odběr 0,3 μA (aver.), resp. 0,62 μA, budeme-li uvažovat plných čtrnáct bitů a jedno měření RH + T za sekundu. Osmivývodové provedení pouzder typu LGA zde zabere 2,5 × 2,5 × 0,9 mm a nezastaví jej ani drsnější podmínky okolí.

Prototyp ano, ale ne oklikou

Od přesných čidel nebo např. součástek umožňujících precizní zpracování jejich signálů se v závěru článku věnovanému novinkám od společnosti Renesas Electronics ještě krátce přesuneme k celé platformě, ilustrované na obr. 5, která má u systémů navrhovaných pod hlavičkou IoT za úkol výrazně zjednodušit vývoj prototypu. Přesně tak se totiž přístup označovaný jako „Quick-Connect IoT“ i prezentuje [5].

Obr. 5  K samotné platformě Quick-Connect IoT stavějící na standardizovaných deskách, včetně jejich rozhraní; sluší se však zmínit i celou řadu „vítězných kombinací“ v režii firmy Renesas, které budou rovněž s úspěchem řešit spojení čidel se spoustou dalších integrovaných obvodů [5]

Zahrnovat zde přitom bude standardizované desky, včetně jejich rozhraní, umožňující vývojářům rychle a také pohodlně zapojit celou řadu snímačů k příslušným vývojovým deskám s MCU/MPU. S novým systémem se rovněž pojí softwarové „stavební bloky“, které lze mezi deskami přenášet a usnadnit si tím práci. Místo psaní a také testování stovek řádků kódu pro účely ovládání proto vývojáři nyní potřebují jen graficky vybrat svůj senzor a doplnit k němu pár řádků. Vše podstatné spojené s integrací a nastavením se poté již odehraje na pozadí, takže se k funkčnímu řešení dopracujeme zase o něco dříve.

Odkazy:

[1] Tisková zpráva, https://www.renesas.com/eu/en/about/pressroom/renesas-delivers-industry-s-most-complete-intelligentsensor-solutions-iot-applications

[2] ZSSC3240: místo celého signálového řetězce jedno QFN, https://www.dps-az.cz/soucastky/novinky/id:69536/zssc3240-misto-celeho-signaloveho-retezce-jedno-qfn

[3] Obvody ZSSC3281, https://www.renesas.com/eu/en/products/sensor-products/sensor-signal-conditioners-ssc-afe/zssc3281-dual-channel-24-bit-resistive-sensor-signal-conditioner-analogand-digital-output

[4] Senzory relativní vlhkosti, https://www.renesas.com/eu/en/products/sensor-products/humidity-sensors

[5] Platforma Quick-Connect IoT, https://www.renesas.com/eu/en/application/industrial/building-home-automation/quick-connectiot#overview