Mixed-Signal-SOC A/D-Wandler plus DSP und Controller

Autor / Redakteur: Michael Müller-Aulmann* / Holger Heller

Bei dem Begriff Embedded Computing denken die meisten wohl gleich an einen Single-Board-Computer (SBC) auf Basis eines schnellen Rechenkerns, der für solche Applikationen typisch ist. Dass es auch einfacher und kostengünstiger geht, zeigt eine applikations- und kundenspezifische Lösung auf Mixed-Signal-SOC-Basis.

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Bei dem Begriff Embedded-Computing denken die meisten an einen schnellen Multimedia-Prozessor, wie z.B. einen Embedded-Prozessor der Blackfin-Familie, der häufig für solche Lösungen kosteneffizient eingesetzt wird. Meist steht heutzutage am Anfang einer innovativen Idee die Erforschung eines Algorithmus oder einer Regelung die Simulation eines Verhaltens auf einer Workstation. Um die Ergebnisse dann auch in der realen Welt zu verifizieren, werden Prototypen entwickelt, bei denen die Kosten erst einmal keine Rolle spielen.

Im zweiten Schritt werden dann etwas realistischere Muster aufgebaut. Diese werden von der Hardwareseite für den praktischen Einsatz optimiert. Meistens werden die Algorithmen aber basierend auf komplexen Rechenoperationen 1 : 1 von der ursprünglichen Simulation übernommen. Dies ist dann der Zeitpunkt, zu dem die Auswahl der Bauteile zur Lösung der Aufgabe in den Vordergrund tritt. Um die entwickelten Verfahren in praktische Serienapplikationen zu überführen, stehen sich aber auf kommerzieller und technischer Seite scheinbar widersprechende Anforderungen gegenüber.

Einerseits werden möglichst geringen Kosten gefordert, andererseits müssen die Bauteile bestimmten Anforderungen entsprechen, um die entwickelten Algorithmen möglichst unverändert übernehmen zu können. Bei der Betrachtung des Gesamtsystems werden neben hohen rechentechnischen Anforderungen auch noch hohe Anforderungen an die analogen Komponenten gestellt. Als Lösungsansatz können integrierte Präzisions-Analog-Mikrocontroller wie der ADuC7128/29 (siehe ELEKTRONIKPRAXIS 18/2007, S. 28ff) ), zum Einsatz kommen.

Analog-MCU und Embedded-Prozessor

Wenn die Rechenleistung nicht ausreicht, dann kann, wie oben beschrieben, ein Embedded-Prozessor der Blackfin-Familie mit entsprechenden diskreten A/D- und D/A-Wandlern zum Einsatz kommen. Hier kann sich wiederum bei größeren Stückzahlen das Problem ergeben, dass der kommerzielle Aspekt letzteren Ansatz nicht ermöglicht. Was dann? Das ist eine Frage, bei der so manch ein Projekt aus Realisierbarkeitsgründen bis auf Weiteres in der Schublade landet.

Der 24-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler AD7730 mit integrierter Signal-Konditionierung (Archiv: Vogel Business Media)

Viele Entwickler setzen heutzutage hochauflösende, präzise A/D-Wandler nach dem Sigma-Delta-Prinzip ein, ohne darüber nachzudenken oder vielleicht ohne zu wissen, dass noch vor einem halben Jahrhundert ein solcher ADC für den Serieneinsatz nicht realisierbar war. Durch die höhere Integration wurde es dann in den 1990-er Jahren möglich, die digitalen Filter kombiniert mit präzisen analogen Schaltungsteilen zu integrieren. Ein gutes Beispiel war und ist der AD7730, ein 24-Bit-Sigma-Delta-ADC mit komplett integrierter Signal-Konditionierung (siehe Bild). Ist das Embedded Computing? Ja!

Weitere Entwicklungen führten bis heute zu vielfältigen Bauteilen, die im ersten Ansatz aus kommerziellen Gründen nicht realisierbar gewesen wären. Ein Beispiel ist der erwähnte ADuC7128/29. Auf den ersten Blick noch applikationsspezifischer sind die Bauteile der ADE-Familie, die Analog Devices für die Messung elektrischer Energie entwickelte. Zuletzt vorgestellt zur Integration der kompletten Applikationslösung für einen elektronischen Energiezähler auf einem Chip wurde die ADE71xx/75xx-Familie.

A/D-Wandler, DSP und MCU

Diese Bauteile enthalten präzise Sigma-Delta-ADCs, kombiniert mit einem speziell für die Energiemessung optimierten, fest programmierten DSP-Kern und einem 8052-Mikrocontroller-Kern. Dieser kontrolliert das Verhalten des DSPs und die Kommunikation zur Umwelt, wie z.B. über das integrierte LCD-Interface für die Informationsanzeige und die seriellen Schnittstellen. Embedded Computing! Oder etwa nicht?

Die Bauteile können auch für andere Applikationen eingesetzt werden, ohne dass die applikationsspezifische Funktionalität des integrierten DSPs genutzt wird. Dies ist auch für andere Anwendungen aus kommerzieller Sicht interessant, da das Bauteil für hohe Stückzahlen konzipiert wurde und dementsprechend günstig verfügbar ist.

Integriertes System zur Bestimmung der Netzwerk-Impedanz auf einem Chip: der AD5933 (Archiv: Vogel Business Media)

Auch das integrierte System zur Bestimmung der Netzwerk-Impedanz auf einem Chip, der AD5933/34 (siehe Bild), ist Embedded Computing. Das Bauteil wird „nur“ als eine Art spezieller A/D-Wandler beschrieben. In der realen Implementierung enthält es wiederum einen speziellen DSP-Kern, der kombiniert mit präzisen analogen Schaltungsteilen und einer einfachen seriellen Schnittstelle von einer MCU kontrolliert und zur Messung der Netzwerk-Impedanz eingesetzt werden kann.

Weitere kundenspezifische Lösungen wurden vielfach realisiert. Manchmal wird, genau wie oben umschrieben, im ersten Ansatz von technischer Seite die Rechenleistung eines DSPs gefordert – die kommerziellen Rahmenbedingungen für einen Serieneinsatz in großen Stückzahlen erlauben dies allerdings nicht.

Durch geschickte Kombination einfacherer Rechenkerne (8051 oder ARM7TDMI), fest programmierter Logik, die aber noch recht flexibel mit aktuellen Parametern konfiguriert werden kann, und entsprechenden hochpräzisen analogen Schaltungsteilen sind solche Systeme auf einem Chip kosteneffizient zu realisieren und in der Serie einsetzbar, z.B. für Embedded Computing in der modernen Sensorik.

*Michael Müller-Aulmann ist Product Line Application Engineer bei Analog Devices, Limerick, Irland.

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