eng
В 90-е годы прошлого века компания Analog Devices начала разработку новой линейки устройств для обработки сигналов. Целью являлось повышение степени интеграции преобразователей сигналов. Было решено взять за основу хорошо зарекомендовавший себя 12-разрядный АЦП и скомпоновать его на одном кристалле с микропроцессорным ядром. Такие устройства получили название микроконверторов. Они оказались широко востребованы на рынке и стали развиваться.
Сегодня аналоговые микроконтроллеры (микроконверторы) фирмы Analog Devices представлены двумя основными семействами: микроконверторами с восьмиразрядным ядром 8052 и микроконверторами с более высокопроизводительным 16/32-разрядным ядром ARM7TDMI. Оба семейства имеют в своем составе линейки преобразователей, оснащенных либо 12-разрядным АЦП последовательного приближения, либо более прецизионным, но и более медленным АЦП типа сигма-дельта.
Микроконверторы на базе ядра 8052
Это самое первое семейство микроконверторов, созданное более 10 лет назад. Тем не менее оно продолжает пользоваться популярностью. Это во многом объясняется тем, что в данных процессорах применено классическое восьмиразрядное ядро 8052.
В семейство входят два поколения процессоров (табл.1). Первое поколение – это микроконверторы, ядро которых выполняет одну машинную команду в течение 12 импульсов тактового генератора – как классические микроконтроллеры 8052.
Процессоры второго поколения выполняют одну команду за один такт, что делает их в 12 раз более быстродействующими при той же частоте и сопоставимом энергопотреблении.
Процессоры оснащены либо 12-разрядным АЦП последовательного приближения с многовходовым мультиплексором, либо 16- и 24-разрядными сигма-дельта АЦП. Быстродействие представителей семейства варьируется от 1 MIPS (миллион восьмибитных операций в секунду) у первого поколения до 16–20 MIPS у более новых приборов.
Микроконверторы на базе ядра ARM7TDMI
Процессоры семейства ADuC70xx, созданные на базе ядра ARM7TDMI, уже знакомы российским инженерам [1]. Семейство продолжает развиваться, и в его рамках появляются подсемейства, предназначенные для определенных приложений и сегментов рынка электроники.
Подсемейство ADuC7019–ADuC7022
Это универсальные микроконверторы общего применения на базе ядра ARM7TDMI (табл.2). Процессорное ядро этих микроконверторов обеспечивает производительность до 40 MIPS. Они оснащены 12-разрядным АЦП последовательного приближения с частотой отсчетов до 1 МГц. Размер флеш–памяти составляет 62 Кбайт, имеется также 8 Кбайт быстродействующего статического ОЗУ. Кроме того, в приборах ADuC7019/20/21 есть 12-разрядные прецизионные цифро-аналоговые преобразователи.
Микроконверторы данного подсемейства могут использоваться, в частности, в медицине. Так, процессор ADuC7022 применяют в схеме холтеровского монитора – электрокардиографа с батарейным питанием, предназначенного для долгого ношения, обычно в течение суток и более (рис.1). В данной схеме микроконвертор ADuC7022 выполняет функции управляющего микроконтроллера и процессора цифровой обработки сигнала. Он обеспечивает оцифровку сигнала ЭКГ, цифровую фильтрацию, управление дисплеем и передатчиком ADF702x, сохранение оцифрованной информации во флеш-памяти, мониторинг источника питания, а также распознавание характерных паттернов на ЭКГ. Применение процессора ADuC7022 в данной схеме обосновано его низким энергопотреблением, высокой точностью АЦП, высокой производительностью цифрового ядра и оснащенностью всей необходимой периферией.
В приведенной схеме инструментальный усилитель AD623 снимает сигнал с двух отведений (правая рука – левая нога), а схема на операционном усилителе AD8500 представляет собой активный подавитель синфазного сигнала, выход которого подключается к правой ноге. На операционном усилителе AD8641 выполнен фильтр низких частот, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя микроконвертора ADuC7022. В качестве средства обмена информацией с управляющим компьютером выступает приемопередатчик семейства ADF702x.
Подсемейство ADuC7024–ADuC7027
Данное подсемейство (табл.3) выделено особо, так как эти процессоры оснащены трехфазными широтно-импульсными модуляторами (ШИМ) и позиционируются как процессоры для управления двигателями. Так же, как и подсемейство ADuC7019–ADuC7022, данные микроконверторы оснащены процессорным ядром производительностью до 40 MIPS, 12-разрядным АЦП с частотой отсчетов до 1 МГц, флеш-памятью емкостью 62 Кбайт и быстродействующим статическим ОЗУ 8 Кбайт. У приборов ADuC7024 и ADuC7026 имеются 12-разрядные цифро-аналоговые преобразователи.
Микроконверторы ADuC7024–ADuC7027 также задействуются в медицине, например для управления двигателем в медицинском автоматическом инфузионном насосе-дозаторе (рис.2). В устройстве применена сенсорная клавиатура, подключенная к преобразователю-контроллеру AD7142. Такой подход позволяет сделать полностью герметичное устройство, что важно для медицинских систем. В качестве драйвера светодиодов подсветки дисплея выступает микросхема ADM8843, управляемая одним из широтно-импульсных выходов микроконвертора ADuC7024. Другой широтно-импульсный генератор микроконтроллера через устройство гальванической развязки ADuM240x управляет затвором транзистора MOSFET и таким образом регулирует скорость вращения двигателя. Протекающий через двигатель ток измеряется с помощью АЦП по падению напряжения на резисторе RSHUNT. Кроме того, сигнал с резистора RSHUNT подается на компаратор, порог срабатывания которого устанавливается с помощью цифрового потенциометра AD5259, управляемого через интерфейс I2C. Если значение тока превысит установленный уровень (например, при повышении нагрузки на двигатель насоса), компаратор вырабатывает сигнал, который может быть использован, например, в качестве сигнала прерывания процессора. Как и в вышеописанной схеме холтеровского монитора, средством обмена информацией с управляющим компьютером является приемопередатчик семейства ADF702x.
Отметим, что приведенная схема может рассматриваться как достаточно универсальная схема управления двигателем постоянного тока.
Подсемейство ADuC703x
Это подсемейство представляет собой микроконтроллеры на базе ядра ARM7TDMI, оснащенные 16-разрядными сигма-дельта-преобразователями (рис.3, табл.4).
В семейство входят процессоры с двумя АЦП (ADuC7033, ADuC7034, ADuC7036) и процессор с тремя АЦП (ADuC7032), который обеспечивает одновременное измерение напряжения, тока и температуры. Частота обновления данных на выходе всех АЦП программируется в пределах от единиц герц до 8 кГц. В контроллерах имеется прецизионный источник опорного напряжения с температурным коэффициентом до 5 ppm/°C (5·10-6/°C). Встроенный буфер FIFO в процессоре ADuC7032 может сохранять ряд отсчетов напряжения и тока в то время, пока ядро процессора занято.
Ядро ARM7TDMI в микроконверторах данного семейства может работать на частоте до 20 МГц, ее значение устанавливается программно. Все внутренние частоты образуются за счет умножения в петлях ФАПЧ, исходная же частота генерируется с помощью внешнего часового кварца с частотой 32768 Гц.
Микроконверторы ADuC703x способны работать непосредственно от 12-вольтовой бортовой сети автомобиля. Спецификации на эти микроконтроллеры приведены для напряжения питания в диапазоне 3,5–18 В, но напряжение питания может достигать до 33 В.
Микроконверторы семейства ADuC703x предназначены специально для автомобильных систем контроля аккумулятора. В наши дни автомобиль все больше насыщают электроникой. В то же время около 60% случаев сбоев и выхода из строя автомобильной электроники связано с неисправностями или с разрядом аккумуляторов (по данным германского автомобильного клуба ADAC). Поэтому так велика необходимость в системе постоянного мониторинга емкости, заряда и состояния аккумулятора, а также в "интеллектуальной" системе управления питанием в автомобиле.
Микроконверторы семейства ADuC703x производят прецизионное измерение напряжения аккумулятора, тока и температуры. С помощью этих параметров можно определять внутреннее сопротивление источника питания, а также вычислять комплексные показатели состояния заряда (SOC, state-of-charge) и состояния "здоровья" (SOH, state-of-health) аккумулятора. Показатели SOC и SOH используются для оптимизации профилей заряда и разряда аккумуляторов [2]. Благодаря этому повышается эффективность работы и надежность аккумуляторов, увеличивается их срок службы.
Процессоры семейства ADuC703x обеспечивают точное и непрерывное измерение состояния батареи, в том числе при выключенном двигателе. При этом потребляемый ток составляет 300 мкА в режиме пониженного энергопотребления и менее 10 мА в обычном режиме при работе ядра на частоте 10 МГц.
16-разрядные сигма-дельта АЦП контролируют напряжение батареи (при этом подключение осуществляется напрямую, без внешнего делителя) в диапазоне 3,5–18 В и измеряют ток в пределах 1 мА–1500 А. Параметры SOC и SOH вычисляются с помощью специальных алгоритмов и сохраняются во флеш-памяти объемом до 96 Кбайт, находящейся в микроконверторе. Эта информация может передаваться через интерфейс LIN на электронный блок управления (ECU) для оптимизации работы электрооборудования.
Микроконтроллеры семейства ADuC703x способны в данной области применения вытеснить более дорогие и менее точные схемы на дискретных элементах. Микроконвертор ADuC703x эффективно заменяет процессор, приемопередатчик для интерфейса LIN, стабилизатор с малым падением напряжения (LDO) и аналого-цифровой преобразователь. В результате схему контроля можно поместить непосредственно на аккумуляторе, упростив конструкцию системы мониторинга и сэкономив пространство.
Новые микроконверторы
Совсем недавно в семействе микроконверторов с ядром ARM7TDMI компании Analog Devices произошло пополнение.
ADuC7060/ADuC7061 – это "система сбора данных на кристалле", оснащенная 24-разрядным сигма-дельта АЦП с частотой отсчетов 8 кГц.
Процессоры ADuC7060/ADuC7061 включают в себя два многоканальных АЦП (главный и дополнительный), 16/32-процессорное ядро, флеш-память и разнообразную периферию.
В аналоговую периферию входят 14-разрядный ЦАП, источники тока возбуждения датчиков, прецизионный источник опорного напряжения 1,2 В и датчик температуры. Ядро ARM7TDMI работает от встроенного тактового генератора и обеспечивает производительность до 10 MIPS. В процессорах есть 4 кБ статического ОЗУ и 32 кБ энергонезависимой флеш-памяти.
Цифровая периферия – это четыре таймера, шестивыходной ШИМ, векторный контроллер прерываний, 14 входов-выходов общего назначения, интерфейсы UART, SPI и I2C.
Благодаря низким напряжению питания и энергопотреблению (2,8 мА при 2,5 В на частоте 1 МГц) эти процессоры применимы в схемах с питанием от петли 4–20 мА (рис.4). Главное требование к таким схемам – они должны работать при минимальном токе петли, то есть все энергопотребление должно укладываться в 4 мА. Напряжение питания стабилизировано с помощью линейного стабилизатора ADP1720.
В этой схеме применен резистивный температурный датчик RTD – резистор, сделанный обычно из платиновой проволоки и обладающий очень высокой линейностью. Обратим внимание, что резистор-датчик включен последовательно с "опорным" резистором RREF, с которого снимается опорное напряжение для аналого-цифрового преобразователя. То есть схема измеряет не просто напряжение на RTD, а соотношение сопротивлений датчика RTD и опорного резистора. Такое включение обеспечивает максимально возможную точность измерений.
Преобразованный в цифровую форму сигнал обрабатывается контроллером, а затем с помощью входящего в состав микроконвертора широтно-импульсного модулятора (выход PWM контроллера) и усилителя OP193 преобразуется в аналоговый сигнал токовой петли. В качестве источника сигнала опорного напряжения используется выход DAC микроконвертора.
Может показаться странным, что аналоговый сигнал оцифровывается с помощью АЦП, затем опять преобразуется в аналоговую форму и передается по петле 4–20 мА, а потом снова оцифровывается в блоке главного хост-контроллера, к которому подключены датчики и который управляет технологическим процессом. Но в этом есть смысл, так как процессор предварительно обрабатывает сигнал, устраняет температурные погрешности, производит фильтрацию сигнала, линеаризацию, и только потом передает этот сигнал по токовой петле.
Сейчас подобные схемы с питанием от петли становятся все популярнее – и в первую очередь благодаря появлению малопотребляющих высокоинтегральных приборов, подобных процессорам ADuC7060/61.
ADuC7023 – это недорогой прецизионный аналоговый микроконтроллер. В нем имеются 12-разрядные преобразователи с частотой отсчетов 1 МГц, процессорное ядро и разнообразная встроенная периферия.
Ядро ARM7TDMI тактируется от встроенного генератора с ФАПЧ и обеспечивает производительность до 41 MIPS. Память программ/данных состоит из 8 Кбайт статического ОЗУ и 62 Кбайт энергонезависимой памяти.
Аналоговая периферия включает в себя многоканальный 12-разрядный АЦП, четыре 12-разрядных ЦАП, компаратор, источник опорного напряжения (2,5 В, температурный дрейф 15 ppm/°C) и датчик температуры.
Цифровая периферия – это три таймера, пять 16-разрядных ШИМ, контроллер прерываний, сторожевой таймер, 20 выводов общего назначения, порт SPI, два интерфейса I2C.
ADuC7023 – самый дешевый прибор семейства. Объявленная цена составляет всего 2,99 долл. за штуку при покупке партии в 1000 штук.
ADuC7122. Отличительная особенность этого микроконвертора – наличие в нем 12 цифроаналоговых преобразователей. Аналоговая периферия содержит также многоканальный 12-разрядный АЦП, два усилителя с программируемым коэффициентом усиления, источник опорного напряжения (2,5 В, температурный дрейф 10 ppm/°C) и датчик температуры.
Цифровая периферия состоит из четырех таймеров, контроллера прерываний, сторожевого таймера, 32 выводов общего назначения, портов UART и SPI и двух интерфейсов I2C.
Ядро ARM7TDMI так же, как в ADuC7023, обеспечивает производительность до 41 MIPS. Память программ/данных включает 8 Кбайт статического ОЗУ и 126 Кбайт флеш-памяти.
ADuC7029 – это прецизионный аналоговый микроконтроллер, оснащенный ядром ARM7TDMI с производительностью 41 MIPS. Прибор имеет 8 Кбайт статического ОЗУ, 62 Кбайт энергонезависимой памяти и разнообразную периферию.
Аналоговая периферия включает в себя многоканальный 12-разрядный АЦП, четыре 12-разрядных ЦАП, компаратор, источник опорного напряжения (температурный дрейф 40 ppm/°C) и датчик температуры.
В состав цифровой периферии входят четыре таймера, трехфазный 16-разрядный ШИМ, UART, сторожевой таймер, 40 выводов общего назначения, порт SPI, два интерфейса I2C, интерфейс внешней памяти.
Все микроконверторы Analog Devices допускают внутрисхемное программирование. Оно производится либо с помощью интерфейса UART, либо с помощью отладчика JTAG. Для программирования через интерфейс UART необходим преобразователь уровней RS-232/UART, выполненный, например, на микросхеме ADM3202. Некоторые модели процессоров могут программироваться через интерфейс I2C. Программное обеспечение бесплатно доступно на сайте www.analog.com.
Для всех микроконверторов предусмотрены наборы разработчика, позволяющие начать работу с процессором, освоить программирование или быстро создать прототип.
Высокое быстродействие микроконверторов Analog Devices, наличие в них разнообразной периферии, а также удобство их программирования и разработки способствуют повсеместному распространению данных приборов.
Более подробную информацию о характеристиках микроконверторов Analog Devices и их стоимости можно найти на сайте компании www.analog.com.ru.
Литература
1. Власенко А. Микроконверторы серии ADuC702x на базе ядра ARM7TDMI. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №7, с.30.
2. Conductance is the Key to Extended Battery Life. – ecmweb.com/mag/electric_conductance_key_extended.
Микроконверторы на базе ядра 8052
Это самое первое семейство микроконверторов, созданное более 10 лет назад. Тем не менее оно продолжает пользоваться популярностью. Это во многом объясняется тем, что в данных процессорах применено классическое восьмиразрядное ядро 8052.
В семейство входят два поколения процессоров (табл.1). Первое поколение – это микроконверторы, ядро которых выполняет одну машинную команду в течение 12 импульсов тактового генератора – как классические микроконтроллеры 8052.
Процессоры второго поколения выполняют одну команду за один такт, что делает их в 12 раз более быстродействующими при той же частоте и сопоставимом энергопотреблении.
Процессоры оснащены либо 12-разрядным АЦП последовательного приближения с многовходовым мультиплексором, либо 16- и 24-разрядными сигма-дельта АЦП. Быстродействие представителей семейства варьируется от 1 MIPS (миллион восьмибитных операций в секунду) у первого поколения до 16–20 MIPS у более новых приборов.
Микроконверторы на базе ядра ARM7TDMI
Процессоры семейства ADuC70xx, созданные на базе ядра ARM7TDMI, уже знакомы российским инженерам [1]. Семейство продолжает развиваться, и в его рамках появляются подсемейства, предназначенные для определенных приложений и сегментов рынка электроники.
Подсемейство ADuC7019–ADuC7022
Это универсальные микроконверторы общего применения на базе ядра ARM7TDMI (табл.2). Процессорное ядро этих микроконверторов обеспечивает производительность до 40 MIPS. Они оснащены 12-разрядным АЦП последовательного приближения с частотой отсчетов до 1 МГц. Размер флеш–памяти составляет 62 Кбайт, имеется также 8 Кбайт быстродействующего статического ОЗУ. Кроме того, в приборах ADuC7019/20/21 есть 12-разрядные прецизионные цифро-аналоговые преобразователи.
Микроконверторы данного подсемейства могут использоваться, в частности, в медицине. Так, процессор ADuC7022 применяют в схеме холтеровского монитора – электрокардиографа с батарейным питанием, предназначенного для долгого ношения, обычно в течение суток и более (рис.1). В данной схеме микроконвертор ADuC7022 выполняет функции управляющего микроконтроллера и процессора цифровой обработки сигнала. Он обеспечивает оцифровку сигнала ЭКГ, цифровую фильтрацию, управление дисплеем и передатчиком ADF702x, сохранение оцифрованной информации во флеш-памяти, мониторинг источника питания, а также распознавание характерных паттернов на ЭКГ. Применение процессора ADuC7022 в данной схеме обосновано его низким энергопотреблением, высокой точностью АЦП, высокой производительностью цифрового ядра и оснащенностью всей необходимой периферией.
Рис.1. Применение микроконвертора ADuC7022 в схеме холтеровского ЭКГ-монитора
В приведенной схеме инструментальный усилитель AD623 снимает сигнал с двух отведений (правая рука – левая нога), а схема на операционном усилителе AD8500 представляет собой активный подавитель синфазного сигнала, выход которого подключается к правой ноге. На операционном усилителе AD8641 выполнен фильтр низких частот, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя микроконвертора ADuC7022. В качестве средства обмена информацией с управляющим компьютером выступает приемопередатчик семейства ADF702x.
Подсемейство ADuC7024–ADuC7027
Данное подсемейство (табл.3) выделено особо, так как эти процессоры оснащены трехфазными широтно-импульсными модуляторами (ШИМ) и позиционируются как процессоры для управления двигателями. Так же, как и подсемейство ADuC7019–ADuC7022, данные микроконверторы оснащены процессорным ядром производительностью до 40 MIPS, 12-разрядным АЦП с частотой отсчетов до 1 МГц, флеш-памятью емкостью 62 Кбайт и быстродействующим статическим ОЗУ 8 Кбайт. У приборов ADuC7024 и ADuC7026 имеются 12-разрядные цифро-аналоговые преобразователи.
Рис.2. Применение микроконвертора ADuC7024 в схеме с широтно-импульсным управлением двигателем
Микроконверторы ADuC7024–ADuC7027 также задействуются в медицине, например для управления двигателем в медицинском автоматическом инфузионном насосе-дозаторе (рис.2). В устройстве применена сенсорная клавиатура, подключенная к преобразователю-контроллеру AD7142. Такой подход позволяет сделать полностью герметичное устройство, что важно для медицинских систем. В качестве драйвера светодиодов подсветки дисплея выступает микросхема ADM8843, управляемая одним из широтно-импульсных выходов микроконвертора ADuC7024. Другой широтно-импульсный генератор микроконтроллера через устройство гальванической развязки ADuM240x управляет затвором транзистора MOSFET и таким образом регулирует скорость вращения двигателя. Протекающий через двигатель ток измеряется с помощью АЦП по падению напряжения на резисторе RSHUNT. Кроме того, сигнал с резистора RSHUNT подается на компаратор, порог срабатывания которого устанавливается с помощью цифрового потенциометра AD5259, управляемого через интерфейс I2C. Если значение тока превысит установленный уровень (например, при повышении нагрузки на двигатель насоса), компаратор вырабатывает сигнал, который может быть использован, например, в качестве сигнала прерывания процессора. Как и в вышеописанной схеме холтеровского монитора, средством обмена информацией с управляющим компьютером является приемопередатчик семейства ADF702x.
Отметим, что приведенная схема может рассматриваться как достаточно универсальная схема управления двигателем постоянного тока.
Подсемейство ADuC703x
Это подсемейство представляет собой микроконтроллеры на базе ядра ARM7TDMI, оснащенные 16-разрядными сигма-дельта-преобразователями (рис.3, табл.4).
В семейство входят процессоры с двумя АЦП (ADuC7033, ADuC7034, ADuC7036) и процессор с тремя АЦП (ADuC7032), который обеспечивает одновременное измерение напряжения, тока и температуры. Частота обновления данных на выходе всех АЦП программируется в пределах от единиц герц до 8 кГц. В контроллерах имеется прецизионный источник опорного напряжения с температурным коэффициентом до 5 ppm/°C (5·10-6/°C). Встроенный буфер FIFO в процессоре ADuC7032 может сохранять ряд отсчетов напряжения и тока в то время, пока ядро процессора занято.
Ядро ARM7TDMI в микроконверторах данного семейства может работать на частоте до 20 МГц, ее значение устанавливается программно. Все внутренние частоты образуются за счет умножения в петлях ФАПЧ, исходная же частота генерируется с помощью внешнего часового кварца с частотой 32768 Гц.
Микроконверторы ADuC703x способны работать непосредственно от 12-вольтовой бортовой сети автомобиля. Спецификации на эти микроконтроллеры приведены для напряжения питания в диапазоне 3,5–18 В, но напряжение питания может достигать до 33 В.
Рис.3. Блок-схема микроконвертора ADuC7034. PGA – усилитель с программным коэффициентом усиления
Микроконверторы семейства ADuC703x предназначены специально для автомобильных систем контроля аккумулятора. В наши дни автомобиль все больше насыщают электроникой. В то же время около 60% случаев сбоев и выхода из строя автомобильной электроники связано с неисправностями или с разрядом аккумуляторов (по данным германского автомобильного клуба ADAC). Поэтому так велика необходимость в системе постоянного мониторинга емкости, заряда и состояния аккумулятора, а также в "интеллектуальной" системе управления питанием в автомобиле.
Микроконверторы семейства ADuC703x производят прецизионное измерение напряжения аккумулятора, тока и температуры. С помощью этих параметров можно определять внутреннее сопротивление источника питания, а также вычислять комплексные показатели состояния заряда (SOC, state-of-charge) и состояния "здоровья" (SOH, state-of-health) аккумулятора. Показатели SOC и SOH используются для оптимизации профилей заряда и разряда аккумуляторов [2]. Благодаря этому повышается эффективность работы и надежность аккумуляторов, увеличивается их срок службы.
Процессоры семейства ADuC703x обеспечивают точное и непрерывное измерение состояния батареи, в том числе при выключенном двигателе. При этом потребляемый ток составляет 300 мкА в режиме пониженного энергопотребления и менее 10 мА в обычном режиме при работе ядра на частоте 10 МГц.
16-разрядные сигма-дельта АЦП контролируют напряжение батареи (при этом подключение осуществляется напрямую, без внешнего делителя) в диапазоне 3,5–18 В и измеряют ток в пределах 1 мА–1500 А. Параметры SOC и SOH вычисляются с помощью специальных алгоритмов и сохраняются во флеш-памяти объемом до 96 Кбайт, находящейся в микроконверторе. Эта информация может передаваться через интерфейс LIN на электронный блок управления (ECU) для оптимизации работы электрооборудования.
Микроконтроллеры семейства ADuC703x способны в данной области применения вытеснить более дорогие и менее точные схемы на дискретных элементах. Микроконвертор ADuC703x эффективно заменяет процессор, приемопередатчик для интерфейса LIN, стабилизатор с малым падением напряжения (LDO) и аналого-цифровой преобразователь. В результате схему контроля можно поместить непосредственно на аккумуляторе, упростив конструкцию системы мониторинга и сэкономив пространство.
Новые микроконверторы
Совсем недавно в семействе микроконверторов с ядром ARM7TDMI компании Analog Devices произошло пополнение.
ADuC7060/ADuC7061 – это "система сбора данных на кристалле", оснащенная 24-разрядным сигма-дельта АЦП с частотой отсчетов 8 кГц.
Процессоры ADuC7060/ADuC7061 включают в себя два многоканальных АЦП (главный и дополнительный), 16/32-процессорное ядро, флеш-память и разнообразную периферию.
В аналоговую периферию входят 14-разрядный ЦАП, источники тока возбуждения датчиков, прецизионный источник опорного напряжения 1,2 В и датчик температуры. Ядро ARM7TDMI работает от встроенного тактового генератора и обеспечивает производительность до 10 MIPS. В процессорах есть 4 кБ статического ОЗУ и 32 кБ энергонезависимой флеш-памяти.
Рис.4. Микроконвертор ADuC7061 в схеме с питанием от петли 4–20 мА
Цифровая периферия – это четыре таймера, шестивыходной ШИМ, векторный контроллер прерываний, 14 входов-выходов общего назначения, интерфейсы UART, SPI и I2C.
Благодаря низким напряжению питания и энергопотреблению (2,8 мА при 2,5 В на частоте 1 МГц) эти процессоры применимы в схемах с питанием от петли 4–20 мА (рис.4). Главное требование к таким схемам – они должны работать при минимальном токе петли, то есть все энергопотребление должно укладываться в 4 мА. Напряжение питания стабилизировано с помощью линейного стабилизатора ADP1720.
В этой схеме применен резистивный температурный датчик RTD – резистор, сделанный обычно из платиновой проволоки и обладающий очень высокой линейностью. Обратим внимание, что резистор-датчик включен последовательно с "опорным" резистором RREF, с которого снимается опорное напряжение для аналого-цифрового преобразователя. То есть схема измеряет не просто напряжение на RTD, а соотношение сопротивлений датчика RTD и опорного резистора. Такое включение обеспечивает максимально возможную точность измерений.
Преобразованный в цифровую форму сигнал обрабатывается контроллером, а затем с помощью входящего в состав микроконвертора широтно-импульсного модулятора (выход PWM контроллера) и усилителя OP193 преобразуется в аналоговый сигнал токовой петли. В качестве источника сигнала опорного напряжения используется выход DAC микроконвертора.
Может показаться странным, что аналоговый сигнал оцифровывается с помощью АЦП, затем опять преобразуется в аналоговую форму и передается по петле 4–20 мА, а потом снова оцифровывается в блоке главного хост-контроллера, к которому подключены датчики и который управляет технологическим процессом. Но в этом есть смысл, так как процессор предварительно обрабатывает сигнал, устраняет температурные погрешности, производит фильтрацию сигнала, линеаризацию, и только потом передает этот сигнал по токовой петле.
Сейчас подобные схемы с питанием от петли становятся все популярнее – и в первую очередь благодаря появлению малопотребляющих высокоинтегральных приборов, подобных процессорам ADuC7060/61.
ADuC7023 – это недорогой прецизионный аналоговый микроконтроллер. В нем имеются 12-разрядные преобразователи с частотой отсчетов 1 МГц, процессорное ядро и разнообразная встроенная периферия.
Ядро ARM7TDMI тактируется от встроенного генератора с ФАПЧ и обеспечивает производительность до 41 MIPS. Память программ/данных состоит из 8 Кбайт статического ОЗУ и 62 Кбайт энергонезависимой памяти.
Аналоговая периферия включает в себя многоканальный 12-разрядный АЦП, четыре 12-разрядных ЦАП, компаратор, источник опорного напряжения (2,5 В, температурный дрейф 15 ppm/°C) и датчик температуры.
Цифровая периферия – это три таймера, пять 16-разрядных ШИМ, контроллер прерываний, сторожевой таймер, 20 выводов общего назначения, порт SPI, два интерфейса I2C.
ADuC7023 – самый дешевый прибор семейства. Объявленная цена составляет всего 2,99 долл. за штуку при покупке партии в 1000 штук.
ADuC7122. Отличительная особенность этого микроконвертора – наличие в нем 12 цифроаналоговых преобразователей. Аналоговая периферия содержит также многоканальный 12-разрядный АЦП, два усилителя с программируемым коэффициентом усиления, источник опорного напряжения (2,5 В, температурный дрейф 10 ppm/°C) и датчик температуры.
Цифровая периферия состоит из четырех таймеров, контроллера прерываний, сторожевого таймера, 32 выводов общего назначения, портов UART и SPI и двух интерфейсов I2C.
Ядро ARM7TDMI так же, как в ADuC7023, обеспечивает производительность до 41 MIPS. Память программ/данных включает 8 Кбайт статического ОЗУ и 126 Кбайт флеш-памяти.
ADuC7029 – это прецизионный аналоговый микроконтроллер, оснащенный ядром ARM7TDMI с производительностью 41 MIPS. Прибор имеет 8 Кбайт статического ОЗУ, 62 Кбайт энергонезависимой памяти и разнообразную периферию.
Аналоговая периферия включает в себя многоканальный 12-разрядный АЦП, четыре 12-разрядных ЦАП, компаратор, источник опорного напряжения (температурный дрейф 40 ppm/°C) и датчик температуры.
В состав цифровой периферии входят четыре таймера, трехфазный 16-разрядный ШИМ, UART, сторожевой таймер, 40 выводов общего назначения, порт SPI, два интерфейса I2C, интерфейс внешней памяти.
Все микроконверторы Analog Devices допускают внутрисхемное программирование. Оно производится либо с помощью интерфейса UART, либо с помощью отладчика JTAG. Для программирования через интерфейс UART необходим преобразователь уровней RS-232/UART, выполненный, например, на микросхеме ADM3202. Некоторые модели процессоров могут программироваться через интерфейс I2C. Программное обеспечение бесплатно доступно на сайте www.analog.com.
Для всех микроконверторов предусмотрены наборы разработчика, позволяющие начать работу с процессором, освоить программирование или быстро создать прототип.
Высокое быстродействие микроконверторов Analog Devices, наличие в них разнообразной периферии, а также удобство их программирования и разработки способствуют повсеместному распространению данных приборов.
Более подробную информацию о характеристиках микроконверторов Analog Devices и их стоимости можно найти на сайте компании www.analog.com.ru.
Литература
1. Власенко А. Микроконверторы серии ADuC702x на базе ядра ARM7TDMI. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №7, с.30.
2. Conductance is the Key to Extended Battery Life. – ecmweb.com/mag/electric_conductance_key_extended.
Отзывы читателей
