Un hub analogico per la building automation

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I progettisti di sistemi hardware hanno oggi la necessità di fare di più con meno. Aggiungere al progetto un ulteriore circuito integrato monofunzionale, richiede tempo: occorre valutare il dispositivo, leggere un nuovo datasheet, eventualmente ottenere assistenza dal fornitore. Inoltre, il nuovo componente deve essere stoccato a magazzino ed avere una propria maschera per il circuito stampato, il che richiede altro tempo e denaro. Ogni nuovo IC, infatti, richiede spazio sugli scaffali, l’aggiunta di un numero di prodotto nel sistema del cliente finale, e il lavoro di qualcuno che immetta nuovi ordini ed esegua i relativi controlli. Complessivamente, si stima che i costi necessari per gestire un IC aggiuntivo oscillino tra i 600 e gli 800 dollari l’anno. Tutti concordano nel ritenere che il riuso dei progetti esistenti consente di abbreviare il time-to-market, oltre a minimizzare costi, rischi e complessità progettuali. I dispositivi analogici programmabili, promettono ai progettisti numerosi.


Un efficiente riutilizzo dei progetti
Se voi foste un progettista di sistemi Ic, cosa mettereste nel vostro dispositivo analogico programmabile ideale? Per iniziare, mettete venti porte con elementi programmabili quali Adc, Dac, I/O digitali, interruttori, traslatori di livello, connessioni a sensori di temperatura interni ed esterni. Fate poi in modo che ciascuna porta sia configurabile per una qualunque di queste funzioni. Ed ecco che avrete ottenuto il MAX11300, il più flessibile di tutti i dispositivi analogici, reso disponibile da Maxim Integrated. Bene, ma quali vantaggi otterrete in pratica? Un primo caso da considerare è il seguente: anche molti progetti odierni necessitano di tensioni inferiori al livello di terra o realmente bipolari. Ad esempio per i segnali a -10 V utilizzati tradizionalmente nell’automazione industriale, o per assicurare un margine ulteriore all’alimentazione negativa nella polarizzazione di un amplificatore, o per fornire una tensione leggermente negativa ad un sensore. Nell’IC analogico programmabile MAX11300, dotato di Adc e Dac con precisione di 12 bit reali (±1 LSB DNL e INL), gli ingressi e le uscite possono essere unipolari ma anche realmente bipolari, con tensioni di ± 5 V oppure da 0 a -10 V. La possibilità di generare tensioni bipolari è un vantaggio soprattutto perché molti dei più recenti IC a segnali misti sono costruiti per ingressi e uscite unipolari, generalmente comprese tra terra (0 V) e 3,3 V oppure 5 V. Servono un paio di I/O aggiuntivi? Nessun problema. Serve un traslatore di livello da 3,3 V a 1,8 V a seguito dell’adozione di un nuovo microcontrollore? Si può fare. Occorre un Adc con ingresso differenziale per acquisire il segnale fornito da un resistore-sensore di corrente? Il dispositivo analogico programmabile può fare anche questo. È tempo, quindi, di dimostrarne le potenzialità.

Le applicazioni nell’automazione di edificio
Il monitoraggio e il controllo di sistema sono di importanza vitale negli odierni sistemi elettronici. Uno degli esempi principali riguarda le soluzioni per l’automazione di edificio, ovvero la building automation, che gestiscono il riscaldamento/ventilazione/condizionamento dell’aria, l’illuminazione, il controllo delle temperature e altro. Generalmente questi sistemi impiegano molti sensori diversi che inviano dati a un’unità di controllo centrale. L’espressione automazione di edificio può avere molti significati diversi, poiché gli ambiti applicativi spaziano dai magazzini di prodotti alimentari che richiedono un preciso controllo della temperatura, fino a locali pubblici dove occorre controllare l’illuminazione e regolare la temperatura. Consideriamo un esempio in cui l’ingresso è collegato a un sensore di temperatura Rtd (Resistance temperature detector) e l’uscita analogica è del tipo 4-20 mA. Si tratta di una situazione molto comune nell’automazione di edificio. Le termoresistenze, le termocoppie e i sensori a diodo sono alcuni dei sensori di temperatura più diffusi. Ciascuno di essi si presta a scopi diversi in termini di precisione e gamma di temperatura. Gli anelli 4-20 mA sono tuttora impiegati nell’automazione di edificio e nell’automazione industriale, poiché rappresentano un’ottima soluzione per trasmettere l’alimentazione e i dati in modo affidabile su lunghe distanze. Ad esempio, sono utilizzati nei supermercati per collegare i sensori di temperatura dei banchi frigo (termoresistenze e termocoppie) con l’unità centrale di controllo collocata nel magazzino, per mezzo di un “doppino”. Un Dac del MAX11300 è utilizzato per inviare il segnale analogico d’uscita, mentre il MAX44284 rileva la corrente e invia il risultato a un’altra porta Adc. Lo schema illustrato comprende il kit di valutazione MAX11300EVKIT# e una scheda figlia personalizzata con gli ingressi e le uscite analogiche. I dati rilevati sono gestiti dal microcontrollore MAXQ2000 e quindi - tramite un Ic che effettua l’interfacciamento tra Uart e Usb - trasmessi al Pc, che li visualizza sul display o li impiega nel modo previsto dall’utilizzatore.

Un componente versatile
L’Ic analogico programmabile MAX11300 offre una notevole flessibilità progettuale, ma dobbiamo essere obiettivi: non è una soluzione universale adatta a qualunque applicazione. Essendo dotato di Adc e Dac a 12 bit, non si presta ad essere applicato negli strumenti di misura o nelle bilance di precisione che richiedono risoluzioni di 16 o 24 bit. Un Dac a 12 bit può essere considerato sufficiente per un anello di controllo analogico 4-20 mA, ma alcuni progettisti preferiscono comunque disporre di 16 bit. Questo chip analogico programmabile non può rimpiazzare le centinaia di amplificatori e interruttori offerti dalle aziende che producono IC analogici. Continua infatti a essere indispensabile l’impiego di buffer sugli ingressi, di componenti per condizionare i segnali esterni e, in determinati casi, di multiplexer/switch esterni, a seconda della collocazione dei vari elementi (mux, amplificatore e Adc) nella catena del segnale. L’applicabilità dell’approccio integrato del MAX11300 dipende anche da requisiti di progetto come l’impedenza di ingresso e di uscita. Ed è proprio in queste scelte che entra in gioco la magia della progettazione analogica.

Flessibilità e configurabilità
Spesso le aziende che realizzano sistemi hardware desiderano riutilizzare i progetti esistenti per nuove applicazioni. La soluzione analogica programmabile mette a disposizione dei progettisti un singolo dispositivo composto di blocchi configurabili che possono servire a molte diverse necessità. E se un singolo chip analogico programmabile fa il lavoro di dieci o venti componenti analogici diversi, l’ufficio acquisti dell’azienda hardware vorrà certamente saperne di più. Grazie alle soluzioni analogiche programmabili, inoltre, non occorre essere degli esperti di progettazione analogica per realizzare il sistema. Il MAX11300 può essere considerato un “hub analogico” da collocare vicino a dispositivi digitali complessi come Fpga, processori e Asic. Combinando la flessibilità delle funzioni analogiche programmabili con la potenza delle Fpga e dei processori diviene possibile ampliare notevolmente le potenzialità del sistema nel suo complesso. L’interfaccia grafica drag-and-drop del MAX11300 consente di configurare rapidamente il dispositivo e di salvare i parametri relativi a tutte le venti porte in un unico bit stream che può essere caricato velocemente da una Fpga, microcontrollore o processore. Pertanto - anche se le soluzioni analogiche programmabili non possono rimpiazzare ogni singola funzione analogica - il MAX11300 consente ai progettisti di ottenere grandi risparmi in termini di spazio sulla scheda e di costi. Permette inoltre di conferire flessibilità e configurabilità ad applicazioni come il system housekeeping, il controllo e la misura, gli anelli di controllo degli amplificatori di potenza.

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