Diseño

Sistema de sensado y control de temperatura en un solo chip

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El sensado y el control de la temperatura forman parte de una gran variedad de aplicaciones, desde un reactor nuclear hasta una simple tostadora. La señal de control basada en la medida de temperatura puede consistir en un sencillo interruptor ON/OFF. Un sistema de control un poco avanzado puede incorporar un mecanismo de respuesta para control de velocidad y en un ventilador, o el control del caudal en una válvula. Sistemadesensado1Incluso en aplicaciones en las que el sensor de temperatura no es el sensor primario se utiliza como sensor secundario para compensar la salida real del sensor, como presión, célula de carga o pH. Actualmente estos sistemas de diseñan con varios chips. Esto presenta varias dificultades para el diseñador del sistema, como hallar los dispositivos óptimos, lo cual exige evaluar precios y prestaciones, comprar a varios proveedores y combinarlos para diseñar un sistema completo. En este artículo, nos centraremos en el uso eficiente de un nuevo sistema en chip (System on Chip, SoC) que puede simplificar el diseño y permitir el desarrollo de plataformas de productos escalables de altas prestaciones.


La Figura 1 muestra una implementación tradicional de un ejemplo de aplicación para el sensado de temperatura mediante un termopar, con un termistor para medida de unión fría, y un control de ventilador con 4 hilos.


Una implementación tradicional emplea varios dispositivos para polarizar y medir la señal del sensor, procesar la señal medida y generar una señal de control. Esto exige tomar varias decisiones, así como realizar diseños y evaluaciones, como puede observarse en el diagrama de bloques general de la cadena de señal mostrado en la Figura 2. El diagrama de bloques ofrece algunos ejemplos de dispositivos para cada bloque y las decisiones que implica la elección de los dispositivos. Por ejemplo, la medida de temperatura se puede realizar con sensores como un termistor, termopar, RTD y diodo. El interface analógico puede ser una combinación de referencia de tensión, amplificador operacional y convertidor A/D o convertidor D/A de corriente (IDAC) y convertidor A/D. Se escogen uno o más sensores en función del rango de temperatura, la precisión y el coste. Se escoge un conjunto de dispositivos de interface analógico en función del sensor escogido, la precisión, el coste y otros requisitos. No es una tarea sencilla. A modo de ejemplo, una de las grandes compañías de semiconductores ofrece más de 900 referencias de dispositivos tan solo para sus amplificadores operacionales. Es preciso aplicar este proceso de selección del componente a cada elemento, lo que supone un pesado trabajo, y a buen seguro que agradecerá algo de ayuda en este sentido. Es probable que esté diseñando diversos productos para disponer de un amplio catálogo para cubrir las diferentes necesidades de sus clientes, como muestra la Figura 4. Para ello es preciso repetir el proceso de selección del componente para diferentes precios y prestaciones. Es muy probable que los dispositivos que considere más aptos para su catálogo son tengan patillas compatibles. Esto implica que necesitará varios trazados de la pista de circuito impreso para todo su catálogo.


Sistemadesensado2Una vez seleccionado el componente, el siguiente paso consiste en construir prototipos para validar el diseño. Dado que va a adquirir los componentes a diferentes proveedores, necesita recurrir a herramientas colaterales que sean válidas con los diferentes retos que implica el diseño del sistema. A modo de ejemplo, las tarjetas de evaluación y las notas de aplicación del proveedor analógico se suelen centrar en las dificultades del diseño analógico y no proporciona código para el microcontrolador, que conlleva algoritmos de calibración y linealización. Esto suele ser cierto incluso si los circuitos analógicos y el microcontrolador son del mismo proveedor.


Sistemadesensado3Usted conoce bien las dificultades que conlleva este diseño y la pregunta natural es: ¿cuál es la solución? Lo ideal es una solución en un solo chip que pueda conectarse a los diversos sensores de temperatura que esté utilizando. Quiere que sea configurable por software y diversas opciones con patillas compatibles para evaluar precio y prestaciones. Si se cumple todo lo anterior, puede diseñar una sola placa de circuito impreso compatible con diversas versiones del producto final. Aún será mejor si el propio proveedor le suministra soluciones que cubran por completo el diseño del sistema para estos sensores. De esta forma, no hace falta que combine herramientas colaterales de diversos proveedores para crear su sistema final.


Afortunadamente, gracias a los avances en la tecnología de semiconductores existen soluciones como el sistema en chip (System on Chip, SoC). Un ejemplo lo constituyen los dispositivos SoC programables de PSoC 3 y PSoC 5 de Cypress. Incluyen todos bloques analógicos de altas prestaciones que hacen falta para su conexión a sensores analógicos, microcontroladores, periféricos digitales y de comunicaciones y lógica digital programable, como muestra la Figura 3. Las referencias de tensión del interface analógico suministran tensión al termistor y el convertidor A/D. El convertidor A/D se utiliza para medir las tensiones en el termistor y el termopar multiplexando diferentes entradas mediante un multiplexor analógico. El sistema también cuenta con el IDAC, amplificadores operacionales y convertidores D/A de tensión (VDAC) utilizados para medir los otros sensores de temperatura. El enrutamiento y la interconexión programables facilitan el cambio de la conexión entre los bloques sin modificar la placa de circuito impreso. De esta manera un solo chip puede ofrecer soporte a muchas interconexiones de sensores diferentes con tan solo cambiar el firmware.


Sistemadesensado4Los SoC reducen el coste al integrar los bloques de cadena de señal, pero para comprender un nuevo sistema hace falta que el diseñador invierta un tiempo inicial. En este caso se puede minimizar con soluciones que incorporen bloques de preconfigurados para proceso de señal y de aplicación específica con sencillas opciones reprogramables. Por ejemplo, Cypress suministra componentes para sensores que resulta sencillo modificar en sensores o proceso de señal. La Figura 4 ilustra un ejemplo de configuración de componente para sensores con termistor, en el cual el diseñador puede añadir una entrada específica para el termistor elegido y el código se genera automáticamente en función del sensor. Estos interfaces gráficos de usuario no solo ofrecen el control para la elección de sensores sino también el método de implementación. Por ejemplo, el diseñador puede escoger entre el método de tabla de consulta (Look-up-table, LUT) o Ecuación para la implementación tras evaluar el espacio y la precisión para este proyecto.


Sistemadsensado5Estos componentes, junto con los ejemplos de firmware relacionados con las notas de aplicación, ofrecen un potente punto de partida a los ingenieros. Algunas de estas soluciones se pueden combinar para obtener una solución especialmente adaptada a la aplicación. Por ejemplo, Cypress suministra el firmware y las notas de aplicación para medir la temperatura con componentes para termopares y termistores. Esta solución se puede combinar con el componente de control del ventilador para obtener el ejemplo de aplicación comentado en este artículo. La Figura 5 muestra la implementación de este sistema con el software PSoC Creator de Cypress.


Un SoC con funciones añadidas como los componentes de sensor y control de Cypress simplifican el ciclo de diseño. Para ir un paso más allá y obtener una verdadera solución integral para sensado de temperatura, el sistema debe incluir los sensores y el control de temperatura. El mercado actual ofrece algunos kits y tarjetas de evaluación con sensores incorporados u opciones para conectar sensores externos. Muchas de estas tarjetas son tarjetas con un solo sensor y necesitarán diferentes tarjetas cuando haya que cambiar el sensor de temperatura. Una alternativa mejor consiste en utilizar kits, como el CY8CKIT-025 de Cypress, que ofrece funcionalidad de evaluación multisensor en una tarjeta (Figura 6).


Sistemadesensado6Este kit se puede conectar a una tarjeta de evaluación estándar CY8CKIT-030 al dispositivo PSoC y programada con los ejemplos de firmware suministrados con el kit. Uno de los proyectos de firmware es el sensado de temperatura de precisión que se conecta a todos los sensores de temperatura en el mismo proyecto. Ofrece funciones añadidas como calibración y cancelación de offset con una técnica denominada doble muestreo correlacionado (correlated double sampling, CDS). Las prestaciones de este kit, especialmente para termopares, si se compara con el calibrador Fluke 725 era inferior a ± 0,3 ºC para el rango de temperaturas de -200 ºC a 1300 ºC. Esto demuestra el mínimo esfuerzo necesario para que el diseño logre una solución de sensado de temperatura de alta precisión.

 

 

Sistemadesensado7En resumen, una solución en un solo chip con herramientas colaterales de diseño al nivel del sistema, puede facilitar mucho la selección de la solución adecuada para su producto, con menos versiones del diseño para cubrir su catálogo de productos, reducir el plazo de comercialización y aumentar la fiabilidad del producto al disminuir el número de componentes.

Autor:

Archana Yarlagadda y Gaurang Kavaiya. Cypress.

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