Empresas como Motorola están allanando el camino para verdaderos sistemas en un chip (SOC). Estos nuevos SOC no sólo pueden analizar datos, sino también medir, analizar y reaccionar ante el medio ambiente.
La integración de componentes analógicos y de potencia en unidades de microcontrolador (MCU) CMOS existe desde hace varios años. Se han introducido productos, como el controlador de motor integrado 68HC05, dispositivo de potencia integrado con configuración de cresta H-b (1990). En 1993, se lanzó un producto llamado MCU de sistema en un chip, que proporcionaba la interfaz J1850 de la Sociedad de Ingenieros Automotrices, incluida la capa física. Basado en la combinación de la potencia del MCU y las capacidades analógicas, el chip puede soportar 40 V. Sin embargo, la entrada del sistema no se incluía en diseños anteriores de un solo chip.
¿Cuáles son los últimos desarrollos que prometen hacer realidad sistemas en un chip? Es la capacidad de combinar estructuras CMOS y MEMS (sistemas microelectromecánicos) en un flujo de proceso. La foto 1 muestra un microcontrolador 68HC05 que integra un sensor de presión de 100 kPa en un chip de icono de silicio. Una posible aplicación son los sensores de airbag laterales.
Los sensores de presión en los paneles de las puertas de los automóviles pueden detectar cambios de presión cuando los paneles de las puertas se arrugan debido al impacto. La capacidad de programar microcontroladores en chips permitirá a los fabricantes de automóviles incorporar algoritmos de control dentro del chip. Para completar el sistema sólo es necesario añadir un mecanismo de activación del airbag. Esta capacidad de accionamiento podría ser otro paso en la integración continua del silicio y los sistemas electrónicos/electromecánicos. La plataforma proporciona un primer paso en la integración de estructuras electrónicas y electromecánicas, al tiempo que plantea varias cuestiones que deben abordarse antes de que se puedan producir en masa productos de alta calidad y bajo costo. Uno de los problemas es la capacidad de prueba.
Un circuito lógico típico tiene años de datos de prueba acumulados que pueden usarse como base para construir la próxima generación de productos. Sin embargo, en el caso de los sensores, las tecnologías anteriores rara vez se reutilizan. Las razones son la relativa ingenuidad de la tecnología de sensores y la singularidad de cada tipo de sensor. Por ejemplo, la tecnología utilizada para medir la presión (un diafragma con galgas extensométricas integradas) es muy diferente de la tecnología utilizada para medir la aceleración (una masa de detección que forma un condensador en movimiento). Las técnicas de prueba también son diferentes. La medición de presión requiere conectar una fuente de presión al sensor; la detección de aceleración o vibración requiere agitar el dispositivo con alguna frecuencia y fuerza conocidas.
Configuración del sistema
Para desarrollar el vehículo de prueba de concepto (consulte la Figura 1), se integró el sensor de presión de 100 kPa en el microcontrolador 68HC05 de 8 bits estándar de Motorola junto con el sistema analógico asociado. circuitos [1] en el núcleo del procesador. A este núcleo básico se le suman circuitos analógicos para acondicionamiento de señales, reguladores de voltaje y corriente, y convertidores de analógico a digital de 10 bits y de analógico a analógico de 8 bits. También se incorporan sensores de temperatura en el diseño con fines de compensación.
Los sensores de presión dependen de la temperatura y tienen una no linealidad inherente. Para mejorar la precisión del sistema, se deben programar algoritmos de calibración o acondicionamiento en el microcontrolador.
La salida del sensor de presión está regulada por un amplificador de ganancia variable y compensación de entrada, que está controlado por un programa almacenado en la MCU. Los convertidores A/D se utilizan para leer la salida de sensores de temperatura y sensores de presión. Los reguladores de voltaje de banda prohibida proporcionan voltaje constante a sensores de presión, amplificadores y convertidores A/D. El regulador de corriente de banda prohibida proporciona una fuente de corriente constante al sensor de temperatura.
Método de calibración
La MCU calibra y compensa la no linealidad y la deriva de temperatura del sensor de presión. Para proporcionar la máxima precisión, se seleccionó una resolución de entrada A/D de 10 bits y la resolución de cálculo se estableció en 16 bits, punto fijo.
Para calibrar el rango, compensar y compensar la no linealidad en la salida del sensor, el software de calibración realiza una corrección polinómica de segundo orden en la salida del sensor de la siguiente manera:
vout = c0 c 1Vp c2vp 2(1)
Cp = (c0, c1, c2) (2)
Donde:
Vout = Salida calibrada
Vp = Salida del sensor de presión no compensada
p>Para compensar la dependencia de la temperatura de Cp, el software de calibración utiliza una ecuación de ajuste polinómico de segundo orden para calcular Cp:
c0 = c00 c01Vt c02 Vt2 (3)
c 1 = c 10 c 11Vt c 12 Vt2(4)
c2 = c20 c21Vt c22Vt2 (5)
(6)
Donde:
Vt = salida del sensor de temperatura
CT se lee durante la calibración y se almacena en EPROM. La MCU calcula Cp en función de la salida del sensor de temperatura, Vt y Ct. Luego, Cp se utiliza para calcular la salida del sensor de presión calibrado utilizando la salida Vp del sensor de presión.
Procedimiento de calibración
Al calibrar el sistema primero se ajusta la ganancia y el desplazamiento del amplificador para utilizar todo el rango analógico a digital. A continuación se examinan las características de la salida del sensor de presión no compensada en varios puntos de temperatura. A cada temperatura, el polinomio de segundo orden descrito en la Ecuación 1 se obtiene mediante ajuste de mínimos cuadrados y se determina el conjunto de coeficientes Cp. Después de completar el cálculo de Cp para todos los puntos de temperatura, determine Ct mediante el ajuste de mínimos cuadrados de las ecuaciones 3, 4 y 5 para determinar el Cp del punto de temperatura. Actualmente, se requieren al menos tres puntos de muestreo de temperatura separados para completar el cálculo del ajuste.
Figura 2. La salida no compensada del sistema en chip basado en sensores se traza a cuatro temperaturas diferentes.
Características
La Figura 2 muestra las características de salida del sensor no compensado a diferentes temperaturas después de ajustar la ganancia y la compensación. Con base en estos datos, el sistema de calibración calcula los coeficientes de calibración y los escribe en la EPROM del chip. Los valores de compensación se redondean a 8 dígitos. La Figura 3 muestra las salidas de calibración y compensación de la MCU integrada. La Figura 4 muestra el error en los valores esperados. Dado que el error de 1 bit es 0,4, resulta que el error está dentro de 0,4 de la salida de escala completa.
Figura 3. La salida de compensación del sistema en chip se mejoró mediante pruebas y calibración a tres temperaturas.
Problemas de prueba
Este trabajo preliminar planteó varios problemas, incluidos los diferentes tipos de pruebas requeridas, equipos de prueba únicos y la necesidad de realizar múltiples pruebas. Estas cuestiones deben abordarse para hacer posibles soluciones integradas de bajo costo.
La integración de capacidades de medición física en chips analógicos a digitales de modo mixto que ya son complejos aumenta la necesidad de tipos adicionales de pruebas. El medio físico que se está probando debe aplicarse al dispositivo y se debe medir la respuesta. Medir la respuesta a un estímulo físico no es una prueba estándar para la industria de los semiconductores, especialmente a diversas temperaturas. El equipo estándar puede probar las partes digitales y analógicas de un chip, pero la aplicación de estimulación física y el proceso de calentamiento y enfriamiento del dispositivo bajo prueba de manera rápida y precisa genera la necesidad de probadores mejorados y únicos. Estos probadores son únicos y no estándar. Por tanto, el probador representa una gran parte del coste unitario final.
Los probadores no sólo son caros, sino que las capacidades de producción son limitadas. Esto aumenta el costo de cada componente porque aumenta el costo de depreciación asignado a cada equipo. El costo aumenta aún más a medida que se requieren múltiples pruebas. Recuerde probar primero cada dispositivo usando al menos tres temperaturas diferentes para determinar las características de salida del sensor en todo el rango de temperatura. Estos valores luego se utilizan para derivar el algoritmo de compensación y se cargan en la EPROM del chip. Para completar el ciclo, se vuelve a probar la temperatura del dispositivo para demostrar su precisión.
Por lo tanto, no sólo se requiere un probador especial, sino que también se convierte en un cuello de botella porque el probador debe usarse dos veces para cada dispositivo: una para medir las características y otra para verificar los resultados.
Direcciones futuras
Encontrar formas de reducir los costos de las pruebas es una de las claves para lograr sensores y MCU integrados de bajo costo. Las ideas prometedoras incluyen:
Caracterizar el diseño minuciosamente
Limitar la temperatura de funcionamiento
Limitar la precisión
Programar la MCU para realizar pruebas durante la adquisición de datos
Cargue los algoritmos de prueba y compensación en la MCU antes de realizar la prueba
Como este es el primer dispositivo de prueba de concepto, una caracterización adicional puede proporcionar una forma de limitar la temperatura requerida para la compensación. método. Limitar el rango de temperatura de funcionamiento también reduce la cantidad de temperaturas necesarias para las pruebas de compensación. Los datos que se muestran en la Figura 3 demuestran una precisión de 5 en el rango de 5 °C a 25 °C. Otra posible medida de reducción de costos es aprovechar la programabilidad de la MCU para el registro de datos durante la prueba. Al almacenar el programa de compensación en la EPROM del chip antes de la prueba y luego registrar la salida no compensada en la EPROM durante la prueba, es posible desarrollar un algoritmo que pasará la prueba de una sola vez en todo el rango de temperatura.
Si no hay avances en la reducción de los costos de prueba de este nuevo tipo de sensor integrado y MCU, los diseñadores de sistemas pueden verse limitados a continuar usando las soluciones actuales: MCU y sensores independientes.
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Todos los sensores DS18B20 utilizados para pruebas de temperatura multipunto están conectados al microcontrolador en un bus IO y recopilan datos de temperatura a su vez. Si el sistema tiene una gran cantidad de sensores, el tiempo que le toma al microcontrolador procesar los datos de temperatura es significativamente mayor, por lo que el ciclo de pruebas alternativas se vuelve más largo. Este artículo propone un nuevo método para agrupar razonablemente DS18B20 y toma algunas medidas en el software, por lo tanto, la velocidad de las pruebas alternativas mejora significativamente;
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