Rilevare e controllare la temperatura con un chip

SYSTEM-ON-CHIP –

L’utilizzo efficiente di un system-on-chip semplifica lo sviluppo di un sistema per il rilevamento e il controllo della temperatura, permettendo la realizzazione di piattaforme di prodotto scalabili e ad alte prestazioni.

Il rilevamento e il controllo della temperatura sono operazioni di fondamentale importanza in un gran numero di applicazioni, che spaziano dai reattori nucleari ai tostapane. Il segnale di controllo basato sulla misura di temperatura può essere un semplice commutatore On/Off. Sistemi di controllo più avanzati potrebbero prevedere un meccanismo di retroazione della temperatura per il controllo della velocità di flusso della valvola o della velocità della ventola. Anche nelle applicazioni dove il sensore di temperatura non è il sensore principale, esso viene utilizzato come sensore secondario per compensare l'uscita del sensore primario - di pressione, di pH o cella di carico. Attualmente questi sistemi vengono progettati utilizzando più chip. Ciò comporta l'insorgere di numerose problematiche per i progettisti di sistemi, come ad esempio reperire i dispositivi più idonei (il che comporta la valutazione di numerose alternative caratterizzate da differenti rapporti tra prezzo e prestazioni) realizzati da vari produttori e abbinare tutti gli elementi ausiliari necessari per completare il progetto del sistema.

Una realizzazione tradizionale
Si consideri ad esempio un'implementazione tradizionale di un sistema per il rilevamento della temperatura con una termocoppia che dispone di un termistore per la misura della giunzione fredda e un dispositivo di controllo della ventola a 4 fili. Una realizzazione di tipo classico contempla l'uso di più dispositivi per polarizzare e misurare il segnale del sensore, elaborare il segnale misurato e generare il segnale di controllo. In questo caso implementare numerosi progetti e procedere ad attente valutazioni. Una misura di temperatura, per esempio, può essere effettuata mediante sensori quali termistori, termocoppie, Rtd e diodi. L'interfaccia analogica può essere una combinazione di riferimenti di tensione, amplificatori operazionali e convertitori A/D, oppure di Idac e convertitore A/D. La scelta di uno o più sensori è determinata da fattori quali intervallo di temperatura, accuratezza e costo. Per quanto riguarda i vari dispositivi che compongono l'interfaccia la scelta è basata su requisiti quali ad esempio tipo di sensore adottato, accuratezza e costi. Si tratta, come si può intuire, di compiti abbastanza complessi: basti pensare che uno dei maggiori produttori di semiconduttori offre a catalogo oltre 900 tipologie di amplificatori operazionali. In una situazione di questo tipo, l'operazione di selezione non risulta particolarmente semplice. È inoltre verosimile che sia richiesta la progettazione di più prodotti per poter disporre di un portafoglio sufficientemente ampio da soddisfare tutte le esigenze degli utilizzatori. Per far ciò, è necessario ripetere il processo di selezione dei componenti in funzione di differenti alternative tra prezzo e prestazioni. Inoltre è probabile che i prodotti che meglio soddisfano le esigenze del progettista non risultano compatibili tra di loro a livello di pin. Quindi è richiesta la stesura di più layout di Pcb al fine di realizzare una gamma di soluzioni complete. Una volta terminato il processo di selezione, la fase successiva prevede la realizzazione di prototipi per validare il progetto. Poiché i vari componenti provengono da fornitori differenti, è necessario il ricorso a risorse ausiliarie per risolvere le problematiche di progetto dei diversi componenti del sistema. Ad esempio le schede di valutazione e le note applicative di un produttore di componenti analogici di solito sono focalizzate sulle problematiche legate alla progettazione analogica, ma non forniscono il codice della CPU, che si occupa degli algoritmi di linearizzazione e calibrazione. Ciò è vero anche nel caso in cui i dispositivi analogici e la Mcu vengono forniti dal medesimo produttore. A questo punto la domanda che sorge spontanea è come riuscire a risolvere in modo semplice ed efficace tutte queste sfide progettuali. La soluzione ideale è rappresentata da un chip singolo in grado di interfacciarsi con l'intera gamma di sensori di temperatura prevista. Tale soluzioni dovrebbe essere configurabile via software e disporre di opzioni compatibili a livello di piedinatura che permettano di valutare differenti alternative a livello di rapporto tra prezzi e prestazioni. Nel caso siano disponibili tutte le risorse appena sopra segnalate, è possibile realizzare un unico layout della scheda Pcb che sarà in grado di supportare differenti versioni del prodotto finale. Inoltre sarebbe auspicabile che il medesimo fornitore rendesse disponibili tutte le risorse ausiliarie necessarie per il progetto del sistema finale per questi sensori. Ciò permette di evitare di dover integrare risorse ausiliarie sviluppate da produttori differenti.

SoC: la soluzione ideale
Grazie all'evoluzione tecnologica dei semiconduttori, che ha portato alla realizzazione di sistemi completi su un chip singolo, una soluzione del tipo appena descritto esiste. Un esempio è rappresentato dalle famiglie di sistemi programmabili su chip PSoC 3 e PSoC 5 di Cypress Semiconductor che integrano tutti i blocchi analogici ad alte prestazioni necessari per l'interfacciamento di sensori analogici, Mcu, periferiche di comunicazione e digitali e logica digitale programmabile. I riferimenti di tensione dell'interfaccia analogica forniscono la tensione per il termistore e il convertitore A/D. Quest'ultimo viene utilizzato per misurare le tensioni ai capi del termistore e della termocoppia, mediante l'operazione di multiplexing di differenti ingressi effettuata mediante un mux analogico. Il sistema dispone inoltre di un Idac, amplificatori operazionali e Vdac usati per la misura degli altri sensori di temperatura. La possibilità di programmare interconnessioni e istradamenti permette di modificare in maniera semplice le connessioni tra i blocchi senza apportare variazioni alla scheda PCB. In tal modo un unico chip è in grado di supportare parecchie interconnessioni di sensori differenti mediante modifiche a livello di firmware. Anche se una soluzione di tipo SoC risulta più economica grazie all'integrazione di tutti i blocchi della catena del segnale, è necessario un certo lasso di tempo affinché il progettista possa prendere confidenza con un nuovo sistema. Questo lasso di tempo può essere minimizzato utilizzando soluzioni che mettono a disposizione blocchi di elaborazione del segnale pre-configurati per applicazioni specifiche con opzioni di riprogrammabilità molto semplici. Ad esempio Cypress Semiconductor mette a disposizione componenti sensori semplici da modificare pur supportare variazioni a livello di sensori o di elaborazione del segnale. il progettista può fornire un ingresso specifico per il termistore scelto e il codice viene generato automaticamente e risulta ottimizzato per lo specifico sensore. Interfacce Gui di questo tipo permettono di controllare non solo la scelta del sensore, ma anche la modalità di implementazione. Per esempio il progettista può decidere di scegliere per l'implementazione una tabella di ricerca oppure un'equazione sulla base dei compromessi in termini di spazio disponibile e di accuratezza del progetto. La disponibilità di questi componenti, unitamente agli esempi firmware associati alle note applicative, rappresenta un indubbio vantaggio per i progettisti. Alcune di queste soluzioni possono essere abbinate in modo da pervenire a una soluzione ottimizzata per una specifica applicazione.

Il supporto del software
Per esempio, Cypress Semiconductor mette a disposizione il firmware e le note applicative richieste per misurare la temperatura con componenti per termocoppie e termistori. Questa soluzione può essere combinata con il componente per il controllo delle ventole in modo da sviluppare l'applicazione che è stata presa in considerazione in questo articolo. Un dispositivo SoC corredato da risorse quali componenti per il controllo e per il sensore semplifica il ciclo di progetto. Per realizzare una soluzione completa per il rilevamento della temperatura, il sistema deve prevedere il circuito di controllo e i sensori di temperatura. Attualmente sono disponibili alcuni kit/schede di valutazione che dispongono di sensori a bordo o di opzione per il collegamento di sensori esterni. Parecchie di queste schede ospitano a bordo singoli sensori per cui è necessario disporre di schede differenti quando è necessario cambiare il tipo di sensore di temperatura. Un'alternativa più valida prevede l'uso di kit, come il kit CY8CKIT-025 di Cypress- che integra funzioni che permettono di valutare più sensori  utilizzando una singola scheda. Il kit in questione può essere collegato alla scheda di valutazione standard CY8CKIT-030 che dispone del dispositivo PSoC e programmato con gli esempi firmware presenti nel kit. Uno dei progetti firmware è relativo al rilevamento di temperatura di precisione che mette a disposizione le interfacce per tutti i sensori di temperatura. Esso integra funzionalità aggiuntive quali calibrazione e cancellazione dell'offset mediante tecniche di campionamento doppio correlato. Le prestazioni offerte da questo kit sono di assoluto rilievo: nel caso di una termocoppia la precisione è inferiore a ± 0,3 °C nell'intervallo di temperatura compreso tra -200 e +1.200 °C. Ciò è una chiara dimostrazione del fatto che l'utilizzo di soluzioni quali i dispositivi PSoC semplificano notevolmente lo sviluppo di soluzioni per il rilevamento della temperatura di elevata precisione. In definitiva, una soluzione su chip singolo corredata dalle risorse ausiliarie necessarie per la progettazione a livello di sistema semplifica la ricerca della soluzione ottimale per lo sviluppo di un prodotto e permette di minimizzare il numero di versioni necessarie per coprire tutte le esigenze applicative, oltre a garantire una riduzione del time to market e un aumento dell'affidabilità del prodotto finale grazie al minior numero di componenti richiesti.

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