Il mondo dell’automazione industriale sta entrando nella quarta rivoluzione industriale. Un cambiamento di paradigma in cui la crescente consapevolezza dell'efficienza energetica, le preoccupazioni e le normative per l’ambiente, per la produttività e la qualità della salute e sicurezza operativa, contribuisce alla continua crescita della tecnologia machine-to-machine. La “produzione intelligente” diventerà normale nel settore dell’ingegneria di produzione, in cui sistemi di macchine intelligenti, attraverso reti di interconnessione saranno in grado di gestire processi di produzione industriale in modo indipendente da un intervento umano, rendendo in tal modo Internet of Things una realtà. Le comunicazioni M2M sono rese possibili grazie all'utilizzo di strumentazione industriale comprendente sensori intelligenti in grado di catturare eventi (quali temperatura, posizione, consumi, livelli, movimento ecc.) e trasmettere i dati attraverso una rete (wireless, cablata o ibrida) a una delle applicazioni (software) che traducono l'evento catturato in informazioni significative che possono essere analizzate e su cui è poi possibile agire. Guardando più da vicino la struttura del sistema sensore intelligente, i sensori (o trasduttori) sono collegati a una o più microcontrollori che sono alla base dei sistemi embedded. L'uscita del sensore va all'ingresso dell’Mcu. Il microcontrollore elabora il segnale in ingresso ed esegue funzioni di controllo in conseguenza dello stesso. A seconda dell'applicazione e della situazione, il segnale del sensore potrebbe forzare l’Mcu ad eseguire attività predefinite dall'utente. Lo scopo di un sensore è quello di rilevare o misurare, mentre lo scopo di un Mcu è quello di eseguire operazioni di controllo in conformità con le informazioni in arrivo. Quando utilizzati insieme e correttamente interfacciati, questi dispositivi funzionano come elettronica di "rilevazione e controllo", consentendo una maggiore funzionalità, praticità, sicurezza ed efficienza nei sistemi di sensori integrati. Tuttavia i segnali generati in uscita dai trasduttori possono essere molto deboli, in un ambiente rumoroso, o forniti in un formato incompatibile rispetto a quello richiesto dal Mcu. Quasi tutti i Mcu sono dotati di convertitori analogico-digitale per traslare i segnali analogici dei sensori in un formato digitale. Ma quel tipo di Adc ha capacità limitate; per esempio, generalmente accetta solo una gamma di tensioni di ingresso limitata. Per incrementare questi segnali al livello richiesto dalla Mcu o eseguire la funzione necessaria di ponte (adattamento) per implementare la compatibilità del segnale tra il trasduttore e la Mcu, è necessario un Front End Analogico. Inoltre, il segnale d'uscita dei trasduttori potrebbe contenere troppe frequenze indesiderate. Questo rumore deve essere rimosso prima che il segnale analogico venga convertito in digitale. Il Front End Analogico impiega una circuiteria che realizza un filtro passa-basso al fine di bloccare il rumore ad alta frequenza e/o circuiteria per un filtro passa-alto per rimuovere rumore a frequenze inferiori.
Un nuovo approccio progettuale
Fino a poco tempo fa i circuiti analogici sono stati in genere progettati manualmente per tentativi, e ciò richiedeva una notevole quantità di tempo ed esperienza per completare un progetto, in alcuni casi fino a un anno. I progettisti odierni operanti in settori in rapido sviluppo sono alla ricerca di soluzioni che consentano loro di ridurre il tempo di sviluppo dei loro circuiti analogici e rilasciare i loro prodotti più rapidamente sul mercato. Per rispondere a queste esigenze è necessario un nuovo tipo di approccio progettuale per la parte Afe, facile da applicare, flessibile, rapido ed efficace. Dopo aver svolto indagini riguardanti circuiti analogici per i sensori su larga scala, gli esperti analogici nei laboratori R&S di Renesas hanno perfezionato un circuito proprietario Smart Analog e dei tool di sviluppo in grado di ridurre significativamente il tempo e lo sforzo progettuale che i progettisti devono spendere per sviluppare nuovi Afe. Usando il lato di programmazione dall’Mcu, lo Smart Analog fa uso della Mcu per controllare il progetto del circuito analogico, regolare la sua struttura e le sue caratteristiche in un'applicazione sensore. I circuiti Smart Analog vengono progettati direttamente sullo schermo di un computer utilizzando amplificatori operazionali configurabili che permettono di ridurre notevolmente i tempi di progettazione. Poiché un sistema dotato di sensori utilizza diversi tipi di trasduttori per differenti scopi, ciascuno di questi sensori deve avere un proprio circuito analogico. Renesas ha quindi progettato una piattaforma che permette all'utente di progettare dal circuito analogico di base alle più avanzate topologie basate su amplificatori operazionali, selezionando e combinando tipi appropriati di Op-amp. Il progettista di Afe è in grado di verificare velocemente e facilmente il funzionamento dei circuiti progettati tramite il potente software di configurazione del sensore con interfaccia grafica che permette "al volo", cioè mentre il sistema è in funzione, la configurazione e la simulazione del front-end analogico. Il progettista può facilmente, tramite semplici operazione del mouse sullo schermo di un personal computer o di una workstation, selezionare le connessioni tra i blocchi analogici, modificare i valori di guadagno o eseguire la calibrazione dell’offset, e regolare gli altri parametri. Questo semplifica notevolmente la calibrazione dei sensori e può ridurre il tempo complessivo di progettazione tra i 3 e gli 8 mesi abbassando in modo significativo i costi di sviluppo. La tecnologia offre più blocchi di amplificatori singolo canale general-purpose personalizzabili che possono essere utilizzati per la realizzazione di convertitori/amplificatori a trans-impedenza I/V su misura, amplificatori non invertenti, invertenti, differenziali o di somma. Il chip può essere configurato per implementare differenti guadagni di amplificazione del segnale e fornisce un intervallo regolabile di tensioni di offset. Inoltre, il generico amplificatore singolo canale presente nell’Afe può essere configurato per realizzare un amplificatore per strumentazione ad alta impedenza. Questo tipo di amplificatore differenziale è essenziale per l'interfacciamento con i sensori ad alta impedenza quali i piezoelettrici.
Una soluzione programmabile
Altri elementi che si trovano nei blocchi dello Smart Analog sono amplificatore a singolo canale (con rilevamento del sync), filtro passa-basso e filtro passa-alto con frequenza di taglio variabile, convertitore A/D Delta-Sigma a 16 bit o 24 bit di alta precisione con sequencer Autoscan built-in e amplificazione con guadagno programmabile. Rispetto al classico approccio a discreti, il numero dei componenti può essere ridotto fino a un fattore dieci, consentendo un ingombro complessivo molto limitato. Inoltre, la possibilità di accensione/spegnimento di ogni blocco dello Smart Analog porta a un notevole risparmio nel consumo di energia, in alcuni casi fino al 20%. L'approccio della piattaforma Smart Analog è particolarmente versatile e conveniente. Può essere implementata in due modi. Un metodo basato su un circuito integrato Smart Analog, che è una implementazione di un Afe in un singolo chip; gli ingegneri di sistema lo inseriscono nel sistema di controllo integrato per connettere il trasduttore al Mcu. L'altro utilizza uno Smart Analog Mcu, un dispositivo che unisce i chip Afe e Mcu in un singolo package integrato. Lo Smart Analog Mcu combina un circuito integrato Smart Analog e un Mcu in un singolo package semplificando la progettazione di sistemi di controllo embedded basati su sensori. La Mcu interna può essere utilizzata per ottimizzare la compatibilità del chip Afe al sensore, nonché per controllare le caratteristiche del segnale di interfacciamento del chip. Grazie a questa combinazione unica di funzionalità, lo Smart Analog Mcu è l'unica soluzione Afe in grado di gestire differenti uscite da diversi tipi di sensori di tensione, di corrente o con uscita differenziale. Fornisce sufficienti terminali di collegamento per accogliere tutti i sensori normalmente necessari, eliminando il tradizionale requisito di avere un circuito Afe separato per ciascun sensore. Lo Smart Analog Mcu aiuta a ridurre le dimensioni del circuito stampato, diminuendo contemporaneamente il numero dei componenti del sistema e i costi. La caratteristica di riconfigurabilità dello Smart Analog significa che i progettisti hanno ora una soluzione programmabile in campo che può essere usata per compensare le perdite di sensibilità del sensore nel tempo. Gli attuali metodi di progettazione Afe rendono necessario il trimming manuale durante il processo di fabbricazione per compensare le variazioni di caratteristiche del sensore. Al contrario, uno Smart Analog Mcu automatizza questo processo con l'implementazione di funzioni automatiche di auto-correzione. In tal modo, si riducono i costi di produzione e di messa in servizio del sistema, aumentando oltretutto la vita operativa del sistema basato su sensori. Utilizzando le nuove soluzioni Smart Analog gli ingegneri possono facilmente selezionare la configurazione e le principali caratteristiche dell’Afe richiesto e, in seguito, cambiare quelle selezioni con la frequenza necessaria. Questa flessibilità nel design riduce significativamente il tempo che altrimenti sarebbe necessario per la selezione dei componenti, la progettazione della scheda e l’approvvigionamento delle stesse. Ora la parte relativa allo sviluppo del Front End Analogico del sistema può procedere più velocemente e in modo più efficiente.
Verso la fabbrica intelligente
La tecnologia Smart Analog rappresenta una nuova piattaforma innovativa per la progettazione Afe contribuendo alla realizzazione di funzioni avanzate in sensori intelligenti, con i valori aggiunti del ridimensionamento dei sistemi, della riduzione del ciclo di progettazione e l’abbassamento del costo del sistema. Riducendo costi e tempi, i nuovi dispositivi a semiconduttore personalizzabili consentono ai produttori di sensori di creare prodotti che altrimenti potrebbero essere troppo costosi da produrre o impiegare troppo tempo per arrivare sul mercato, contribuendo quindi allo sviluppo di fabbriche più intelligenti.
