Der ADuC824 liefert Messfunktionen in Laborqualität

Unwahrscheinlich integriert

Das jüngstes Mitglied der MicroConverter-Familie von Analog Devices, der ADuC824, ist ein komplettes, hochgenaues Datenerfassungssystem mit einem integrierten programmierbaren Sigma-Delta A/D-Umsetzer.

Die Familie der MicroConverter von Analog Devices integriert auf einzigartige Weise unterschiedliche Technologien auf einem Datenerfassungs-Chip. Somit kann der Systementwickler flexibel, schnell und kostengünstig Leistungsmerkmale bei neuen Produkten realisieren, die mit bisherigen Mitteln nicht erreicht werden konnten. Dies ermöglicht die Verkürzung von Entwicklungszeiten und erlaubt die Einführung des Plattformgedankens. Die hohe Integrationsdichte der Bausteine verringert den Platzbedarf gegenüber herkömmlichen Lösungen drastisch. Darüber hinaus ist die Leistungsaufnahme, verglichen mit Multichip-Lösungen, wesentlich geringer.
Am Beispiel eines Smart Transducer Interface Module (STIM) nach IEEE 1451.2 soll gezeigt werden, welch mannigfaltige Möglichkeiten sich mit dem Baustein erschließen. Die vorgestellte Software basiert auf dem schon seit längerem verfügbaren ADuC812, lässt sich jedoch mit wenigen Änderungen auf alle anderen Familienmitglieder portieren.

Mikrocontroller und Peripherie
Der ADuC824 enthält einen zum 8052-Prozessor kompatiblen Kern. Als interner Programmspeicher stehen 8 KByte Flash zur Verfügung. Dieser kann über die UART-Schnittstelle in der Schaltung programmiert werden. Damit bietet sich sowohl die Möglichkeit einer Programmierung des Bausteins am Bandende der Produktion als auch ein Update der Software im Feld an. Aufgrund immer höherer Servicekosten ist dies sicherlich ein nicht zu unterschätzender Vorteil.
Alle erforderlichen Programmierspannungen werden intern erzeugt, es sind also keine externen Komponenten nötig. Zusätzlich zu den beim 8052-Kern üblichen 256 Bytes User RAM enthält der Baustein ein sogenanntes User Flash EEPROM. In diesen 640 Bytes können applikationsspezifische nichtflüchtige Daten, wie zum Beispiel Seriennummern oder Kalibrierdaten, dauerhaft abgelegt werden. Für sehr speicherintensive Anwendungen besteht schließlich die Möglichkeit, durch einen externen Daten- und Adressbus bis zu 64 KByte externen Programmspeicher und 16 MByte Datenspeicher anzubinden.
Als Peripherie sind eine UART, drei 16 Bit Counter/Timer und 32 digitale I/O-Pins vorhanden. Zusätzlich zu diesen beim 8052-Kern üblichen Modulen beinhaltet der ADuC824 einen Watchdog, um die Programmausführung zu überwachen. Zur einfachen seriellen Kommunikation zwischen verschiedenen Chips wurden weiterhin eine SPI- und eine I2C-Schnittstelle integriert. Damit können nahezu alle am Markt verfügbaren Bausteine an den ADuC824 angebunden werden.
Mit Hilfe des integrierten Power Supply Monitors können sowohl die analoge als auch die digitale Versorgungsspannung überwacht und je nach eingestellter Schwelle ein Interrupt ausgelöst werden. Als weitere Besonderheit ist ein sogenannter Timer Interval Counter eingefügt worden, dessen Periodendauer von 1 ms bis 255 Stunden einstellbar ist. Beispielsweise können batteriebetriebene Sensoren in zyklischen Abständen Messwerte aufnehmen und mit der aktuellen Uhrzeit im Flash-Speicher ablegen. Selbst eine Echtzeituhr ist mit minimalem Programmieraufwand realisierbar.
Die Leistungsaufnahme des ADuC824 kann durch Variieren der Taktfrequenz den jeweiligen Anforderungen sehr flexibel angepasst werden. Kern ist dabei ein Phasenregelkreis, der aus einer externen Quarzfrequenz von 32,768 kHz das gesamte interne Timing generiert. Die Umschaltung kann innerhalb des laufenden Programms ausgeführt werden. Zeitkritische Routinen, wie Interrupts können somit mit maximaler Geschwindigkeit abgearbeitet und der Rest des Programms mit reduziertem Takt und somit verminderter Stromaufnahme ausgeführt werden. Diese Besonderheit kommt vor allem batteriegespeisten Applikationen zu Gute.

A/D- und D/A-Wandler
Beim ADuC824 kommen zwei vollkommen unabhängige A/D-Wandler nach dem Sigma-Delta-Prinzip zum Einsatz. Dieser Wandlertyp zeichnet sich durch extrem hohe Auflösung und große Unempfindlichkeit gegenüber höherfrequenten Störsignalen aus. Als Eingangsfilter ist in der Regel eine simple RC-Kombination ausreichend. Die Einstellung aller Wandlungsparameter wie Kanal, Updatefrequenz usw. erfolgt über in den Adressraum eingeblendete Special Function Register. Die Auflösung des primären A/D-Wandlers beträgt 24 Bit, die des sekundären 16 Bit. Eine Umschaltung zwischen den beiden Kanälen ist über einen integrierten Multiplexer möglich.
Der Eingangsspannungsbereich des primären A/D-Wandlers ist über einen programmierbaren Gain-Verstärker von ±20 mV bis zu ±2,56 V in acht Stufen einstellbar. Der zweite Kanal bietet einen Eingangsspannungsbereich von ±Vref. Beide Wandler unterstützen verschiedene Modi zur Kalibrierung und können bei Nichtgebrauch teilweise oder ganz abgeschaltet werden.
Als weiteres nützliches Merkmal enthält der ADuC824 einen integrierten Temperatursensor, der über den sekundären A/D-Wandler ausgewertet werden kann. Damit lassen sich ohne zusätzlichen Hardwareaufwand Daten über die Temperaturverhältnisse des Chips bzw. der kompletten Baugruppe erhalten. Selbst Sensoren, die in Brückenschaltung betrieben werden, können über schaltbare Stromquellen direkt vom ADuC824 angesteuert werden.
Der umgekehrte Weg, also die D/A-Wandlung, ist mit dem ADuC824 ebenfalls möglich. Der integrierte D/A-Wandler bietet eine Auflösung von 12 Bit und ist intern gepuffert. Der unipolare Spannungsbereich reicht wahlweise von 0 V bis Vref oder 0 V bis VDD. Zudem besteht die Möglichkeit den D/A-Wandler komplett abzuschalten, um die Leistungsaufnahme des ADuC824 zu reduzieren. Alle Parametrierungen erfolgen analog zum A/D-Wandler über direkt ansprechbare Special Function-Register. Als Spannungsreferenz kann je nach Genauigkeitsanforderungen entweder die interne Bandgap-Referenz oder eine externe benützt werden. Sie speist sowohl die A/D-Wandler als auch den D/A-Wandler.

MicroConverter als STIM
Heutige Messumformer beinhalten in der Signalkette vom Sensorelement bis zum endgültigen Ausgangssignal des Sensors präzise Verstärker, hochauflösende A/D-Wandler, einen Mikrocontroller und bei analoger Messwertausgabe einen D/A-Wandler bzw. bei digitaler Messwertausgabe eine serielle Schnittstelle nebst Pegelanpassung derselben.
Mit den Bausteinen der MicroConverter-Familie wird die Anzahl dieser Komponenten drastisch reduziert. Außer dem MicroConverter sind nur noch Netzteil, Pegelanpassung der seriellen Schnittstelle und das eigentliche Sensorelement nötig. Platzprobleme auf der Leiterplatte des Sensors werden durch das kleine Gehäuse der MicroConverter stark herabgesetzt.

Verwendete Komponenten
Das Smart Transducer Interface Module besteht aus dem Evaluationssystem des ADuC812. Auf dem Lochrasterfeld sind zusätzlich der Temperatursensor AD590 und ein Lüfter untergebracht. Den Network Capable Application Processor, kurz NCAP bildet ein sogenannter BFOOT Ethernet Controller. Dieser bildet das Bindeglied zwischen STIM und dem jeweiligen Netzwerk. Hier wird eine Anbindung an ein Ethernet-Netzwerk realisiert. Damit ist im Prinzip eine Fernwartung des Sensors über das Internet möglich.

Physikalische Funktionsblöcke
Stark vereinfacht kann man die Norm IEEE 1451.2 auf fünf physikalische Funktionsblöcke herunterbrechen.
Der TEDS-Block stellt eine Art elektronisches Datenblatt dar. Es enthält neben vielen weiteren Angaben die erreichbare Auflösung und die maximale Abtastrate. In der MicroConverter-Familie ist dies durch das nichtflüchtige User-Flash verwirklicht. Das eigentliche STIM lässt sich in zwei Teile aufspalten. Das Transducer Interface wird durch die analogen und digitalen Peripherieblöcke und der Control & Channel Data-Block durch den 8051-Kern realisiert. Die Kommunikation mit der höhergestellten Einheit wird durch den TII-Block abgewickelt. Dieser besteht aus einer seriellen Schnittstelle mit zusätzlichen Status- und Triggerleitungen. Diese insgesamt zehn Verbindungen werden über die SPI- und I/O-Leitungen verwirklicht. Der Flash-Speicher dient zur Speicherung des Programms und der darin enthaltenen Funktionen und wird durch den Adress&Function-Block symbolisiert.

Softwarebeschreibung
Die Software besteht ebenfalls stark vereinfacht aus fünf funktionalen Modulen. Das TII-Interface-Modul beschreibt das physikalische Interface zwischen STIM und NCAP. Sofern der Anwender keine Änderungen an den Portpins benötigt, ist dieser Teil der Software vom verwendeten Sensor und seiner Aufgabe vollkommen unabhängig und damit universell einsetzbar. Das TEDS-Modul beinhaltet die Definitionen der elektronischen Datenblätter. Im Modul Funktionen schließlich sind alle Prozeduren, die durch die Norm definiert sind, implementiert. Auch dieser Teil der Software ist relativ unabhängig von der jeweiligen Messaufgabe und kann somit in mehreren Projekten fast ohne Änderungen verwendet werden. Die Module STIM-Kernel und AD/DA- und I/O-Kontrolle sind in einem Modul zusammengefasst. Es beinhaltet den eigentlichen Kernel der Applikation und die entsprechenden Routinen und Definitionen zur Ansteuerung der jeweiligen Peripherieeinheiten.
Autor: Harald Traub

Analog Devices
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Bildtexte:
Bild 1: Blockschaltbild des neuen ADuC824 MicroConverter.
Bild 2: Speichermodell der MicroConverter-Familie von Analog Devices.
Die MicroConverter von Analog Devices
ADuC812 ADuC824 ADuC816 ADuC812S0
ADC 12 Bit
8 Kanäle 24 Bit Kanal 1
16 Bit Kanal 2 16 Bit Kanal 1
16 Bit Kanal 2 12 Bit
8 Kanäle
DAC 12 Bit
2 Kanäle 12 Bit
1 Kanal 12 Bit
1 Kanal 12 Bit
2 Kanäle
Kern 8052 kompatibel 8052 kompatibel 8052 kompatibel 8052 kompatibel
RAM 256 Bytes 256 Bytes 256 Bytes 256 Bytes
FLASH-Speicher 8 KBytes Programm
640 Bytes Daten 8 kBytes Programm
640 Bytes Daten 8 KBytes Programm
640 Bytes Daten 8 KBytes Programm
640 Bytes Daten
Externer Speicher 64 KBytes Programm
16 MBytes Daten 64kBytes Programm
16 MBytes Daten 64 KBytes Programm
16 MBytes Daten –
PIO 32 26 26 16
Seriell UART, I2C, SPI UART, I2C, SPI UART, I2C, SPI UART, I2C, SPI
Gehäuse 52 QFP 52 QFP 52 QFP 28 TSSOP