Интеллектуальный датчик с малым энергопотреблением

Компоненты и технологии, № 8'2003

Интеллектуальный датчик

с малым энергопотреблением

Темой для этой статьи послужило одно техническое задание. Автору было предложено спроектировать датчик со встроенной электроникой для фиксации редких событий — импульсных ускорений (ударов). Причем датчик должен был работать в мониторном режиме, осуществляя слежение за уровнем ускорения, и при превышении его зафиксировать временной профиль процесса в энергонезависимой памяти в течение 1 секунды. Немаловажно то, что фиксацию процесса необходимо было начинать со времени, несколько ранее момента превышения порога (на 100 мс).

Сергей Синютин

siniutin@ttpark.ru

Задача достаточно тривиальная для современного уровня элементной базы, если бы не ограничения по габаритам и энергопотреблению. Задание ограничивало толщину изделия 5 мм (корпус из металла) и площадь 3 кв. см. Максимальный потребляемый ток не должен превышать

1 мА при питании от 3,3 В. Полоса частот 40 Гц —

2 кГц. Максимальная амплитуда ускорения — 2g. Динамический диапазон для регистрируемых сигналов должен быть не менее 85 дБ.

Как всегда, разработчик пытается использовать ранее применяющиеся и хорошо зарекомендовавшие себя решения. Было решено использовать в качестве датчика самый малогабаритный акселерометр фирмы Analog Devices — ADXL 311, микроконтроллер из серии MSP430 фирмы Texas Instruments и флэш-память с последовательным доступом фирмы Atmel AT45DB81.

ADXL311 — MSP430F149 AT45DB81

Рис. 1. Первый вариант датчика

порядка 2 mg при апертуре 2§, что не дает заданных 85 дБ динамического диапазона. И, наконец, размер корпуса вдоль чувствительных осей ЛБХЬ 311 уже 5 мм и на корпус устройства места не остается!

Необходимо было искать другое решение. Поиски в литературе привели к изделиям двух фирм — Хетк8 и Иат^оп.

В состав изделий фирмы Хетк8 входит микросхема ХЕ20041011 — программируемый преобразователь сигналов емкостных датчиков в напряжение. Появилась идея реализовать датчик как дифференциальный конденсатор с центральной пластиной в виде упругой мембраны с инерциальной массой. Роль инерциальной массы играет плата с электроникой датчика:

Идея применить ЛТ45ББ81 отпала сразу же после анализа потребляемого тока при записи — до 15 мЛ. Правда, для полосы 2 кГц при частоте дискретизации 4 кГц и 2 байт на отсчет достаточно 8 кбайт энергонезависимой памяти, то есть запоминаемую информацию можно разместить и во флэш-памяти программ М8Р430Б149. Появился второй вариант:

Его энергопотребление (5 мЛ) ближе к заданным параметрам, но все еще в 5 раз больше технического задания. Кроме того, ЛБХЬ 311 имеет разрешение

Технические характеристики преобразователя легко позволили получить требуемый динамический диапазон в заданной полосе частот. Для такой конструкции необходимо было тщательно рассчитать возможные перемещения инерциальной массы, определить начальную емкость каждой половины дифференциального трансформатора и оценить возможную нелинейность во всем амплитудном диапазоне ускорений.

Для преобразования напряжения датчика в цифровой код, мониторинга ускорения и записи временного профиля сигнала в энергонезависимую память было решено применить микроконтроллер фирмы ХешісБ ХЕ88ЬС01АМЮ27.

-Q-

Компоненты и технологии, № 8'2003

ВХОДЫ

АС А

Рис. 6. Структурная схема АЦП микроконтроллера XE88LC01

Уникальное устройство данного микроконтроллера — масштабирующий АЦП разрядностью 16 бит. За счет гибкого управления коэффициентом усиления можно повысить реальное разрешение еще на 10 бит. Кроме того, имеется возможность компенсировать сдвиг уровня. Плюс визитная карточка фирмы Хетк8 — рекордно низкое энергопотребление: 0,3 мЛ на частоте 1 МГц.

Для записи сигнала применена микросхема фирмы ИЛМТИОЫ РМ25СЬ64-Э емкостью 8 кбайт с интерфейсом ЭРГ. На частоте 1 МГц ее потребление 0,2 мЛ. Поскольку в ХЕ88ЬС01ЛМЮ27 отсутствует аппаратный ЭР1, его эмулируем программно (для частоты дискретизации 4000 Гц и такте процессора 1 МГц это не составляет труда). Отличительная особенность микросхем ИЛМТИОЫ — одинаковая скорость при записи и считывании, низкое энергопотребление, огромный ресурс циклов записи и возможность последовательной записи с автоматическим инкрементом адреса. Если учесть, что микросхема выполнена в корпусе Э0Р-8, то можно понять, как хорошо она вписалась в конструкцию датчика. Структурная схема датчика показана на рис. 4.

Для получения требуемых характеристик датчика ключевыми являются особенности изделий ХЕ20041011 и ХЕ88ЬС01.

Допустим, вам задали вопрос: возможно ли с помощью одной и той же микросхемы создать датчик температуры, давления, уровня, влажности, виброускорения, усилия, микроперемещения, потока? Не торопитесь с отрицательным ответом — с помощью микросхемы ХЕ20041011 сегодня это возможно. Изменяя конструкцию датчика (конфигурацию емкостных пластин, тип диэлектрика, упругость и свободу перемещения пластин) можно реализовать все указанные типы датчиков.

ХЕ2004 — высокоточный преобразователь «емкость-напряжение» в котором от процессора по цифровым каналам изменяется усиление, смещение и корректируется нелинейность.

Полоса частот преобразователя — 10 кГц, спектральная плотность мощности шума менее 7_М_

ыНс

Преобразователь работает от источника питания 3 В, потребляя при этом менее 180 мкА.

Выпускается преобразователь для двух температурных диапазонов:

• -40-85 °С (1-тип);

• -55-125 °С (Е-тип).

Рассчитан преобразователь для работы на резистивную нагрузку 10 кОм или емкостную 10 нФ.

Оригинальной особенностью преобразователя ХЕ2004 является программная установка 3 порогов, позволяющих надежно зафиксировать факт выхода измеряемой величины за установленные пределы.

Суммарная емкость конденсаторов датчика (С1+С2) не должна превышать 220 пФ, аот-носительное изменение емкости дифференциального конденсатора датчика (С1-С2)/ (С1+С2) должно быть в пределах ±50%.

Преобразователь ХЕ2004 позволяет программно изменять следующие параметры:

• усиление с разрешением 10 бит;

• смещение (грубо) с разрешением 5 бит;

• смещение (точно) с разрешением 8 бит;

• линейность с разрешением 8 бит;

• полосу частот с разрешением 5 бит.

Пять изменяемых аналоговых параметров

плюс три программируемых порога превращают преобразователь ХЕ2004 в инструмент для построения широкого круга приборов, работающих в достаточно сложных климатических условиях.

Но гибкость разрабатываемого датчика повышается еще и с помощью уникальных возможностей АЦП микроконтроллера ХЕ88ЬС01. Основные его особенности:

• 16-битный сигма-дельта АЦП с возможностью программного изменения разрядности с 6 до 16 бит при соответствующем изменении частоты обновления выходных данных;

• 4 дифференциальных канала ввода сигнала или 8 униполярных;

• 2 дифференциальных канала ввода референтного напряжения;

• плавное изменение коэффициента усиления предусилителя в диапазоне от 0,5 до 1000;

• плавная компенсация постоянных смещений уровня в широком диапазоне смещений;

• последовательный интерфейс;

• режим энергосбережения.

Структурная схема АЦП приведена на рис. 6.

Основу его составляет 16-битный АЦП, перед которым включены 3 усилителя с программируемым коэффициентом усиления ^01^Б3), причем два из них ^Б2 и GD3) снабжены индивидуальными схемами компенсации смещения (0БР2 и 0БР3). В итоге, этот аналоговый процессор (язык не поворачивается называть его просто АЦП) имеет пять цифровых регулировок аналоговых параметров, цифровое управление частотой дискретизации и коммутацией каналов. Все это позволяет реализовывать весьма прихотливые схемы измерения как постоянных, так и переменных напряжений с компенсацией возможных смещений. Хотелось бы отметить, что реконфигурация аналоговой схемы обработки сигнала происходит во время работы под управлением микроконтроллера. Ничего не нужно перепаивать и подстраивать!

Для настройки первый усилитель используется для грубой установки усиления, второй усилитель осуществляет более точную настройку коэффициента усиления и грубую коррекцию смещения, а третий усилитель нужен для прецизионной подстройки коэффициента усиления и точной компенсации смещения. Очень важно настройку коэффициента усиления и компенсацию сдвига производить именно в этом порядке.

В разрабатываемом датчике при площади пластин 3 см2 и зазоре 0,5 мм емкость каждого конденсатора порядка 10 пФ. Микросхема

Компоненты и технологии, № 8'2003

преобразователя на выходе выдает напряжение, пропорциональное отношению емкостей, поэтому неизбежна постоянная составляющая из-за разбаланса емкостей конденсатора. При таких малых емкостях этот разбаланс может достигать 20-30%. Казалось бы, прецизионные измерения при таких различиях в емкостях конденсаторов выполнять невозможно. Но вот здесь и сказываются преимущества описанных выше микросхем.

Настройкой микросхемы преобразователя компенсируем сдвиг уровня в начальной точке (при отсутствии сигнала). Затем, кор-

ректируя параметр настройки «линейность», добиваемся максимальной линейности амплитудной характеристики датчика. И после всего этого последовательными настройками управляемых усилителей АЦП микроконтроллера «вгоняем» сигнал датчика в апертуру 16 бит без сдвига. Процесс этот итерационный, но результаты говорят сами за себя: можно получить «чистых» 14 бит при полосе частот сигнала до 1 кГц.

Рамки одной статьи не позволяют рассказать о многих нюансах работы с весьма перспективными микросхемами фирмы Хетк8.

Есть определенные особенности в их программировании и отладке программ, и особенно в организации комплексного аппаратно-программного стенда, на котором производится окончательная отладка сложных приложений для обработки низкоуровневых аналоговых сигналов. Автор надеется этим вопросам посвятить отдельную публикацию.

Использована информация:

1. www.xemics.com

2. www.analog.com

3. www.ramtron.com