Analógové rozhrania sú kvôli množstvu snímačov, ktoré sa používajú na zaznamenávanie a spracovanie signálov z okolia, ako aj akčných členov používaných na realizáciu zásahov, čoraz dôležitejšie. Napríklad spoľahlivé napájanie závisí od schopnosti presne predpovedať a merať zmeny elektrických a magnetických polí v kombinácii s elektronikou, ktorá vysokou rýchlosťou prepína požadované prúdy. V dôsledku toho je rozhranie medzi digitálnou a analógovou oblasťou mimoriadne dôležité. Aby rozhranie dobre fungovalo, treba zohľadniť koncovú aplikáciu a zaistiť, aby sa nestratili jemnosti v analógových signáloch.

Komponenty na podporu prepojenia analógovej a digitálnej oblasti

Pretože rozhranie medzi analógovým a digitálnym svetom je také dôležité a závisí od aplikácie, návrh systémov pracujúcich so zmiešanými signálmi sa stáva doménou intenzívnej špecializácie. Aj keď sa často môže zdať, že existuje široká škála produktov, ktoré možno použiť pre konkrétny návrh, treba vziať do úvahy presné požiadavky konečnej aplikácie. Nájdenie správneho komponentu na prácu môže byť výzvou a vývojári musia pri výbere najvhodnejšieho riešenia zvážiť rôzne možnosti.

V minulosti sa pri návrhu systému vybral veľký počet diskrétnych zariadení a integroval sa na dosku plošných spojov (DPS). Požiadavky trhu sa však zmenili a používateľ potrebuje vysoko integrované zariadenia, ktoré vyhovujú špecifickým potrebám na základe funkčnosti, veľkosti, spotreby energie a presnosti. Napríklad v návrhoch orientovaných na IoT je umiestnenie senzorov pre architektúru systému rovnako dôležité ako výkon front-end obvodov na úpravu signálu a konverzie.

Zvyčajne je potrebné umiestniť prevodníky čo najbližšie k vstupu, aby sa zabránilo degradácii signálu spôsobenej analógovými parazitickými javmi. To možno vidieť v aplikáciách monitorovania životného prostredia, ako je logistika chladiarenského reťazca a monitorovanie dátových centier, kde je potreba nasadenia viacerých snímačov teploty, ktoré budú umiestnené pomerne ďaleko od seba. Je veľmi dôležité používať kompaktný prevodník a front-end zariadenia s podporou lacného digitálneho prenosu do rozbočovača.

Takýmto príkladom je použitie jednovodičového komunikačného protokolu. V riešení MAX31825 od spoločnosti Maxim Integrated sa potrebný digitálny prenos realizuje s minimálnymi nákladmi aj pri veľkých systémoch. Rozhranie umožňuje pripojiť a adresovať až 64 snímačov pomocou 64-bitového sériového kódu. Snímač teploty poskytuje schopnosť čítať teplotu až v 12 rozlíšeniach v rozsahu od –45 do +145 °C.

Snímače a strojové učenie

Iné systémy musia byť zase schopné zvládnuť široký rozsah vstupov snímačov, aby spoľahlivo detegovali stav okolitého prostredia, ako aj schopnosť inteligentne spracovávať informácie, ktoré poskytujú. Ak snímač dokáže vyhodnocovať údaje a hlásiť iba významné zmeny, výrazne to zníži šírku pásma komunikácie potrebnú na hlásenie stavu okolitého prostredia do nadradeného systému. To zase môže zaistiť, aby bola spotreba energie obmedzená na minimum, pretože rádiofrekvenčný prenos a príjem predstavuje významnú časť spotreby energie IoT uzla. Ak sa spracovanie údajov v uzle bude vykonávať efektívne, môže batéria vydržať oveľa dlhšie. Navyše v súčasnosti sa do zariadení so zmiešaným signálom implementuje aj strojové učenie.

Spojenie snímačov a strojového učenia je obzvlášť dôležité v systémoch, ktoré potrebujú detegovať polohu a trajektóriu. Táto kombinácia pomáha vyrovnať sa so zašumenými signálmi spôsobenými vibráciami a inými zdrojmi chýb. Aj keď možno skombinovať špičkové mikroprocesory a prevodníky údajov s cieľom dosiahnuť potrebnú funkčnosť, existujú komponenty, ktoré tieto prvky kombinujú v jednom, napr. iNEMO od spoločnosti STMicroelectronics. Tento „balík“ (System in Package, SiP) kombinuje snímače zrýchlenia, gyroskopy a magnetometer so softvérovým programom strojového učenia, čím dokáže spoľahlivo určiť polohu v rozmanitých aplikáciách, ako je sledovanie technických podnikových prostriedkov a robotika. Integrácia pomáha obmedziť spotrebu energie na minimum, pretože umožňuje uspanie riadiacej mikroprocesorovej jednotky na dlhší čas bez ujmy na presnosti alebo potreby byť stále v zapnutom stave. Kombinácia funkcií v iNEMO je ukážkou toho, ako integrácia a skúsenosti tejto špičkovej firmy vo svojom odbore zvyšujú funkčnosť a výkon.

Dôležitosť efektívneho napájania

Malé rozmery a potreba nízkoenergetickej prevádzky v uzloch IoT snímačov sa spájajú s efektívnym napájaním a integráciou. Odborníci na výkonové zariadenia a napájanie, ako napríklad On Semiconductor, ukázali, že v malom priestore možno koncentrovať veľké množstvo funkcií. Napríklad FAN54120 je najmenšia nabíjačka batérií, ktorá je v súčasnosti na trhu. Zariadenie je vyhotovené v rozmerovom štandarde DFN6 alebo WLCSP6 a bolo navrhnuté tak, aby sa ľahko používalo. Nabíjačka nevyžaduje interakciu používateľa ani aktívny dohľad z nadradeného mikroprocesora. Zvláda jednobunkové lítiovo-iónové alebo lítiovo-polymérové batérie a tiež podmienky, ako je obnova vybitej batérie. Nabíjačka dokáže pripojenú batériu nabiť s ultranízkym vybíjacím prúdom batérie menším ako 120 nA.

Pre systémy, ktoré musia zvládnuť dve batérie v sérii a vyvážiť ich napätie, navrhla spoločnosť MPS zariadenie MP2672. Možno ho naprogramovať pomocou hardvérových pinov alebo zo softvéru bežiaceho na nadradenom mikroprocesore pomocou príkazov odoslaných po zbernici I2C. Štruktúra napájania NVDC (Narrow Voltage Direct Current) umožňuje prevádzku systému aj pri nabíjaní slabou batériou.

Mnoho zariadení vrátane uzlov snímačov potrebuje rôzne systémy napájania s rôznou úrovňou napätia. Je to potrebné na napájanie špecifických obvodov bez kompromisov z hľadiska veľkosti, hmotnosti a energetickej účinnosti. MPM3695-10 od spoločnosti MPS s výškou iba 2 mm je ultratenký menič DC/DC, ktorý možno ľahko namontovať na zadnú stranu dosky plošných spojov, napriek tomu poskytuje schopnosť dodávať prúd až do 10 A. Toto zariadenie má plné rozhranie PMbus ako pomoc na riadenie svojej prevádzky a ponúka vynikajúcu reguláciu záťaže v širokom rozsahu vstupného napätia.

Ďalším príkladom spájania funkcií, ktoré je v rámci vývoja systémov viditeľné, je zariadenie MCP19123 spoločnosti Microchip Technology kombinujúce vysoko účinné napájanie s mikroprocesorom na čipe založeným na osembitovej architektúre PIC. To zariadeniu umožňuje realizovať širokú škálu funkcií dohľadu a správy. Samotná analógová sekcia je vysoko konfigurovateľná pomocou programovateľného zosilňovača v spätnoväzbovej slučke stupňovitého prevodníka. Okrem napájacích obvodov zariadenie obsahuje časovače a snímač teploty pomáhajúce monitorovať stav systému, v ktorom sa používajú. Výsledkom je menič so šírkovo-impulznou moduláciou, ktorý poskytuje vysokú účinnosť a prechodovú charakteristiku/odozvu s inteligenciou reagujúcou na meniace sa podmienky.

Prepojenie všetkého

Keďže tlak na rozmery, náklady a prepojenie pokračuje, analógové obvody sa budú naďalej kombinovať s digitálnym spracovaním, čo povedie k veľkému množstvu inovácií v dodávateľskom reťazci. Napriek tomu, že vhodné komponenty budú ponúkať dodávatelia so širokým záberom, široká škála aplikácií a dodávateľov v dodávateľskom reťazci znamená, že najvhodnejším riešením bude aplikácia od špecializovanejšieho dodávateľa. Vývojári sa musia pri svojom projekte zamerať na najväčších a najznámejších dodávateľov analógových zdrojových riešení.

Skúsení distribútori s podporou návrhu, ako napríklad Farnell, dokážu analyzovať potreby zákazníkov a nasmerovať ich správnym smerom.

Cliff Ortmeyer,
globálny vedúci technického marketingu
Farnell
www.farnell.com