Renesas Synergy S1JA als Basis für smarte Sensorlösungen

Bruno Nelta, Senior Engineer Marketing & Systems, Renesas Electronics, Düsseldorf

Inhaltsverzeichnis

1. Hochgradig konfigurierbares AFE
2. Beschreibung des analogen Funktionsblocks
3. Flexibles analoges Stromversorgungsschema
4. Mit einem Bündel an Funktionalitäten

Renesas Electronics, Halbleiterhersteller für Mikrocontroller-basierte Lösungen, verfolgt einen innovativen Ansatz mit der S1JA-Mikrocontroller-Lösung. Sie löst die wachsenden Herausforderungen der Sensorhersteller, damit diese ihre IIoT-fähigen Projekte umsetzen können. Der S1JA ist die jüngste Ergänzung der Synergy-Mikrocontroller-Plattform. Es handelt sich hierbei um einen Ultra-Low-Power-Mikrocontroller auf Basis des Arm-Cortex-M23-Core, der mit bis zu 48 MHz, mit einem Coremark-Score von 2,49/MHz bis zu 256 KB Code-Flash und 32 KB SRAM-Speicher betrieben werden kann. Hoch präzise Analog-Funktionen wie 16-Bit-SAR-ADC (Successive Approximation Register), 24-Bit-Sigma-Delta-ADC, 12-Bit-Digital-Analog-Wandler und Operationsverstärker erübrigen externe analoge Komponenten und reduzieren so Stücklistenkosten und PCB-Größe. Darüber hinaus ermöglichen Sicherheitsfunktionen die Implementierung sicherer Systeme. Die Synergy-Plattform ist ein komplettes Mikrocontroller-Plattform-Ecosystem einschließlich des Synergy Software Package (SSP), das speziell für die Synergy-MCU-Architektur optimiert wurde. Es integriert handelsübliche Application Frameworks für Dienste auf Systemebene, Funktionsbibliotheken mit spezieller Software, effiziente HAL-Treiber (Hardware Abstraction Layer) für alle Peripheriegeräte und das Board Support Package (BSP) inklusive Startcode für Boards und MCUs.

Hochgradig konfigurierbares AFE

Der S1JA integriert ein hochkonfigurierbares Analog-Frontend (AFE), das von Grund auf neu entwickelt wurde, um es Entwicklern zu ermöglichen, die Komplexität im analogen Schaltungsdesign zu überwinden, die mit dem Einsatz externer diskreter Komponenten verbunden ist. Gleichzeitig lassen sich die Herausforderungen lösen, die sich aus der Signalpfad-Konditionierung für die Präzisionsmessung ergeben, um die Stücklistenkosten in ihrer Zielanwendung zu reduzieren.

Das voll integrierte AFE besteht aus flexiblen analogen Funktionsblöcken, die über eine programmierbare Schaltmatrix miteinander verbunden sind. Es ermöglicht Entwicklern analoge Schaltungen von Grundfunktionen zu komplexeren Topologien umzugestalten, die den sich ständig ändernden Anforderungen im Feld entsprechen, ohne ihre Leiterplatte dabei neu gestalten zu müssen. Darüber hinaus muss die Implementierung auf dem zugehörigen M23-CPU-Kern keine intelligenten automatischen Kalibrierungsfunktionen oder automatischen Kompensationsalgorithmen mehr untersuchen, die die Leistung ihrer Sensoranwendung maximieren können.

Beschreibung des analogen Funktionsblocks

Um die dem Anwender gebotene Effizienz der Signalkonditionierung zu maximieren und um auf externe Komponenten verzichten zu können, bietet der S1JA leistungsfähige analoge Funktionen wie hochgenaue ADCs, Rail-to-Rail-Operationsverstärker mit niedriger Offset-Spannung und schnell ansprechende DACs.

Die MCU bietet insgesamt drei differentielle Operationsverstärker mit einem Gain-Bandbreitenprodukt (GBW) von bis zu 4,8 MHz. Sie können in verschiedenen Geschwindigkeitsmodi konfiguriert werden, um den besten Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Leistungsaufnahme zu gewährleisten. Die Operations-Verstärker sind unabhängig und kaskadierbar und ermöglichen die Implementierung verschiedener Schaltungstopologien, wie Instrumentierung, Spannungsfolger und Summieren. Ihr I/O-Signal kann verwendet werden, um Signale an die 16-Bit-SAR- und 24-Bit-Sigma-Delta-ADCs, die Low-Power-Komparatoren oder direkt an die externen Ausgangspins der MCU zu übertragen. Über das SSP-Softwarepaket bietet Renesas die Analog Connect Module an, die die Konfiguration der Schaltmatrix und die Verbindung zwischen den Funktionsblöcken vereinfachen und die Implementierung komplexer analoger Konditionsschaltungen erleichtern.

Zwei interne 8-Bit-DAC ermöglichen die Anpassung des Spannungsoffsets für die Operations-Verstärker, um Störungen zwischen A/D- und D/A-Wandlerschaltungen zu reduzieren. Zwei unabhängige Low-Power-Analog-Komparatoren (ACMPLP) und High-Speed-Analog-Komparatoren (ACMPHS) vergleichen die Referenzspannung mit einer analogen Eingangsspannung. Die Vergleichsergebnisse können per Software ausgelesen oder auch extern ausgegeben werden. Beide Komparator-Typen verfügen über eine integrierte Rauschunterdrückung. Die Referenzspannung kann aus externen Referenzspannungseingangspins, einem Ausgang des internen D/A-Wandlers oder aus der intern in der MCU erzeugten internen Referenzspannung (Vref) ausgewählt werden. Diese Flexibilität ist hilfreich für Entwickler, die einen Go/No-Go-Vergleich zwischen analogen Signalen durchführen möchten, ohne die Verwendung einer A/D-Wandlung. Den Entwicklern steht außerdem eine Auswahl an Geschwindigkeitsmodi auf dem ACMPLP zur Verfügung, um vor Beginn des Vergleichsvorgangs den gewünschten Kompromiss zwischen der Verzögerungszeit und dem Stromverbrauch einzustellen.

S1JA bietet zwei hochauflösende ADC-Einheiten für eine hohe Leistung in allen Szenarien der physikalischen Signalerfassung. Ein 24-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler-(SDADC24)-PGA (Programmable Gain Instrumentation Amplifier) ist vorhanden. Bis zu 10 single-ended/5 differentielle analoge Eingangskanäle sind wählbar. Zwei single-ended/1 differentielle analoge Eingangskanäle dieser analogen Eingangskanäle sind Eingänge interner Operations-Verstärker. Der Analogeingangsmultiplexer wird über den PGA in den Sigma-Delta-A/D-Wandler eingegeben. Die Verstärkung des PGA lässt sich für jeden Kanal von x1 bis x32 einstellen. Die Datenraten sind programmierbar von 488 bis 15 ksps. Ein integrierter Sequenzer steuert die A/D-Wandlung, der in drei Betriebsarten arbeiten kann: Continuous Scan Mode, Single Scan Mode, One-Shot-Betrieb, wobei die beiden letztgenannten per Software oder Hardware ausgelöst werden können. Eine Trennungserkennung ist sowohl auf der positiven als auch auf der negativen Seite im Single-Ended-Eingangsmodus möglich. Das A/D-Wandlungsergebnis wird vom digitalen Filter SINC3 gefiltert und anschließend in einem Ausgangsregister gespeichert. Eine Kalibrierfunktion berechnet Verstärkungsfehler und Offset-Fehlerkorrekturwerte unter den Einsatzbedingungen, um eine präzise A/D-Wandlung zu ermöglichen. Es kann eine Überabtastrate von 64 bis 20448 gewählt werden. Eine Stromversorgung für Sensoren (SBIAS), die unabhängig voneinander aktivierbar ist, beinhaltet eine Überstromschutzschaltung, die die interne Schaltung bei Auftreten eines Überstromzustands schützt. Die Trennungserkennungsfunktion erkennt das Trennen des Single-Ended-Eingangs vor Beginn einer normalen A/D-Wandlung.

Ein 1-Msps-16-Bit sukzessiver Näherungs-A/D-Wandler (ADC16) ist vorgesehen, der bis zu 17 Single-Ended- oder vier differentiell wählbare analoge Eingangskanäle unterstützt. Für die AD-Wandlung kann der Anwender von einer erweiterten Auswahl an Eingangsquellen profitieren, einschließlich der Referenzspannung des SDADC24, des TSN-Ausgangs (On-Chip-Temperatursensor), der Stromversorgung für den Sensor (SBIAS) oder des externen VREF-Eingangsanschlusses für den SDADC24 und der internen Referenzspannung. Der ADC16 unterstützt drei Betriebsarten, Single Scan, Continuous und Group Mode. Er ist mit einer Selbstdiagnosefunktion ausgestattet, die einmal zu Beginn jedes Scans ausgeführt wird, einer Kalibrierfunktion, die eine hochpräzise A/D-Wandlung ermöglicht, indem die Linearität des Kondensator-Arrays und die Offset-Fehlerkorrekturwerte unter den Einsatzbedingungen erhalten werden, einer Funktion zur Erkennung der Abschaltung des Analogeingangs und andere.

Flexibles analoges Stromversorgungsschema

S1JA stellt dem Anwender einen 12-Bit-D/A-Wandler (DAC12) zur Verfügung, eine nützliche Komponente, um Abwärtskompatibilität in Smart-Sensing-Anwendungen zu gewährleisten, bei denen beispielsweise eine Analogwertkopie der Messung an das Steuerungssystem gesendet werden muss. Die D/A-Wandlung kann bei Eingabe eines Ereignissignals vom ELC gestartet werden. Renesas hat dieses Intellectual Property mit einem Main entwickelt, um Interferenzen zwischen analogen Modulen zu minimieren. Das synchrone D/A-Wandlerfreigabe-Eingangssignal des ADC16 steuert den D/A-konvertierten Datenaktualisierungszeitpunkt, wodurch der Einfluss des DAC12-Einschaltstroms auf die A/D-Wandlergenauigkeit reduziert wird.

Für beste Designpraxis und Leistung bietet der S1JA ein flexibles Stromversorgungsschema, bei dem die Analogspannung des ADC16 und der anderen analogen Funktionsblöcke unabhängig von der Spannungsversorgung des SDADC24 ist. Ebenso verfügen der SDADC24, der ADC16, der DAC12 sowie die Komparatoren über einen eigenen externen Referenzspannungseingang, der zusätzlich zur intern generierten Referenz ausgewählt werden kann.

Mit einem Bündel an Funktionalitäten

Der S1JA bietet ein Arsenal an Funktionen und Fähigkeiten, um die vollständige Signalkonditionierung kostengünstig in einem Ultra-Low-Power-Mikrocontroller zu realisieren. Die einzigartige Kombination von analogen Peripheriegeräten macht ein komplexes PCB-Design überflüssig und reduziert den Einsatz teurer externer Komponenten. Der Anwender kann seine Stückliste weiter reduzieren, indem er internen Datenflash verwendet, um einen externen E2PROM-Speicher zu ersetzen, oder die externe Taktquelle überflüssig macht, da der hochgenaue OCO eine Genauigkeit von weniger als ±2 % über den Betriebstemperaturbereich hat (±1 % über den Industriestandard -20 bis 85 °C). Die umfangreichen Flash/RAM/Data-Flash-Ressourcen des S1JA ermöglichen eine einfache Softwareintegration und geben den Designern die Freiheit, Messalgorithmen zu eroieren, die die Anwendungsleistung oder Interoperabilität maximieren können. Die integrierten Sicherheitsfunktionsblöcke, der AES-Kryptobeschleuniger, der TRN (True Random Number Generator) und die Speicherschutzeinheiten ermöglichen eine sichere Systemimplementierung, wodurch externe Sicherheitsfunktionen überflüssig werden, und erweitern die Softwarefunktionalität um Anwendungen für drahtlose oder Kommunikationsprotokolle. Die Memory-Mirror-Funktion macht es einfach, über die Air-Update-Funktion zu implementieren, indem sie von einem Speicherbereich zum anderen mit geringem SW-Overhead wechselt.

Der Betriebsspannungsbereich von 1,6 bis 5,5 V sowohl für den analogen als auch für den digitalen Block und eine Leistungsaufnahme von 108 µA/MHz bei 48 MHz zeigen, dass der S1JA eine extrem geringe Stromaufnahme hat. Dazu gehört der Software-Standby-Modus, der nur 500 nA verbraucht, was in batteriebetriebenen Anwendungen mit längeren Laufzeiten im Sleep-Modus vorteilhaft ist. Weitere Eigenschaften sind eine große Anzahl von kapazitiven Touch-Enable-Pins für Touch-Button-HMI-Schnittstellen, Entwicklung, CAN-Modul-Schnittstelle, Full-Speed-USB, On-Chip-Temperatursensor, die alle für eine optimierte Leistungsaufnahme konfiguriert werden können. Dies macht das Gerät besonders energieeffizient.

Die IAR Embedded Workbench Integrated Development Environment (IDE) for Synergy und das Eclipse-basierten e2Studio unterstützen den S1JA und sind im Lieferumfang der Synergy-Software enthalten. Diese steht auf der Renesas-Website zum Download bereit und kann kostenlos genutzt werden. Entwickler haben nun Zugang zu einem Ecosystem, das durch ein Online-Angebot ergänzt wird, in dem sie aus einer großen Auswahl an Software, Tools, Compilern, RTOS und Sicherheitslösungen wählen können. ge

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