ASIC para sistemas de medidas ambientales

ASIC pa a Sis emas de Medidas Ambien ales. J.G.O ega, C.L. Jane , J.M.Que o y L.G.F anquelo Dp o. de Ingenie ía de Sis emas y Au omá ica Escuela Supe io de Ingenie os de Se illa J. Pinilla y M. Gonzalez Sainco S. A. Resumen El ci cui o in eg ado que aquí se desc ibe ha sido diseñado con ecnología pu amen e digi al, y iene como unción se i como cen o concen ado de da os en es- aciones me eo ológic&S, aunque po su diseño gene ico puede se usado en cualquie o o campo. Su obje i o p incipal es la adquisición de medidas (condiciones am- bien ales como elocidad y di ección del ien o, empe a- u as, humedades ela i as, ... ) y la gene ación de señales analógicas y digi ales elemandadas p oceden es de un canal de adio o de un canal SPI. Es a ealización se enma ca den o del p og ama GAME y ha sido desa o- llada en colabo ación con la emp esa SAINCO. L In oducci6n. En la igu a (1) se mues a el esquema gene al de un ASIC empleado como concen ado de medidas y do ado de capacidad de comunicación a a és de dos canales se- ie. El diseño ha .ido o ien ado pa a do a al ci cui o de una g an modula idad, de o ma que apa ecen di e en es bloques que pueden unciona de mane a independien e. En líneas gene ales, és os se pueden clasi ica según su uncionalidad en es. Los que se enca gan de ecibi señales de los senso es ambien ales, como son di ección del ien o empe a u as, e c", o en ia es ímulos a ac- uado es, como elés. A es e g upo pe enecen los con- ado es ecuenciomé icos, las en adas y salidas digi a- les y los con e ido es Dig i al-Analógicos y Analógico- Digi al. Los segundos son el SPI, enca gado de comunica el ci cui o con pe i é icos ales como mic op ocesado o EF PROM Y la UART conec ada al canal de adio. Po o a pa e, el con ol del in eg ado desde el ex e- io se ealiza según dos modos de uncionamien o. En el p ime o, un mic op ocesado es el enca gado de go- be na a és e po medio del canal SPI, siendo la UART un simple disposi i o emiso y ecep o de by es. En el segundo, las o denes son ecibidas po la es a úl ima median e un p o ocolo CRC. En es e caso, el canal SPI se ese a pa a una posible conexión a una EEPROM, - 389- en ca gada de in oduci una con igu ación inicial al ci - cui o. 2. Desc ipción de módulos uncionales. A con inuación se comen an cada uno de los módulos exis en e en el ci cui o, 16 en adas digi ales. Con obje o de ecibi in o - mación de ansduc o es de posición ipo eocode ah. salu o de 8 bi s se dispone de dos canales independien- es, con p e il o de en ada pa a cada bi , de 1KHz de ecuencia de mues eo. La alidación de una nue a en- ada se ealiza al de ec a se és a es eces consecu i as. La in o mación se p ocesa en dos by es independien es, siendo p og amable la con e sión G ay-Bina io de cada uno de dichos by es. R.eloj de en ada de 16 MHz. La ecuencia de abajo del ci cui o in eg ado es de 16 MHz. Con obje o de pode ob ene una salida de 8 MHz que si a de eloj pa a o os componen es ex e nos del sis ema se inco po a un di iso que lo gene a a pa i de la señal de eloj del ASIC. U A RT. Dispone de dos canales, uno de ansmisión y o o de ecepción. Es e disposi i o de comunicación se ie p esen a dos modos de uncionamien o: uno como simple canal de ansmisión y e cepción de by es, con olado po un mic op ocesado , y o o como enlace po adio ia modem (con señales /RTS y /CTS). 8 salidas digi ales. Dichas salidas 50n independien es y pe mi en la ac i ación de elés ex e io es almacenando un 1 en el bi co espondien e del egis o de ac i ación de elés. 8 en adas digi ales. Pa a comp oba el cie e de los elés ac i ados po las salidas an e io es, se umacenan es as en adas en el egis o de en adas de comp obación de cie e de elés. Se conside a que el el é se encuen a ac i ado si la lec u a de la en ada co espondien e es O. Si se de ec a allo en dicha ac i ación (se lee un 1) se desac i an au omá icamen e odas las salidas del l>- 1·1 1 ·1 '~·1 ¡.I! cu: RD o RTSCTS a.K , 8 El'o"TRADAS 8 &."'TRADAS j I DIGITALES DKi ALES , UART "-T "" eoow.,-sloo GRA Y ax .,.'¡oo ORA Y 5 uII .1 IC p a.J< ._ I ¡BJ I • ~ , • e.o. E. • SALIDAS , e.D.E. ~ • DIGITALES , I~ , CD . E. ~ c.O . E.. REO. DATOS 'ElmlADAS • • DJO ALeS , - I c. A. D. I ~ VI> I GESTOR PRaTOC. :- .....j • , SP I a: • 1 mI ·1 = ¡ J -I I c. A. D. I VI> +. , I CONF G ss , I I I!!!! """ I ~ odo I I!!!!""" I pe iodo I I~ 1%1%1%1%1 l2!J';Il2!J eo ¡ ¡ • ¡ ¡ T' Figu a 1: Esquema gene al del ASIC. gis o. Es a desac i ación au omá ica puede se anulada median e el bi co espondien e del egis o de con igu- ación-del in eg ado. La e i icación del cie e del el é se ealiza 150 !lS después de habe ac i ado la o den de cie e. " con ado es de pulsos /co n ado es j ecuenciomé icos . Es as cua o en adas pueden se p og amadas indepen- dien emen e pa a abaja como con ado de pulsos o como con ado es ecuenciomé icos. Dicha uncionali- dad se de ine en el co espondien e bi del egis o de con igu ación. La in o mación se almacena en 4 egis os de con ado de pulsos de 16 bi s cada uno. Es os con ado es de 16 bi s pueden unciona como co n ado es de pulsos (con un bi adicional que indique el paso po ce o de la cuen a) o como con e ido es ecuenciomé icos, siendo el pe iodo de cuen a p og amable con ango de uncionamien o en- e 2 KHz y 40 KHz. Es os canales se pueden emplea , abajando en modo ecuenciomé ico, pa a adqui i señales analógicas que ex e namen e se hayan p ocesado po un sis ema con- e ido ol aje- ecuencia y aislamien o gal ánico. Los pulsos que se eciban se some en a un il ado que eH_ O mina pulsos de du ación in e io a un mínimo. Una ez anscu ido el iempo de con eo, el alo alcanzado en los con ado es se copia en los egis os a los que se puede accede desde el ex e io . Una aplicación de los con ado es ecuenciomé icos es la medida de la elocidad del ien o. que es ecibida desde un ansduc o y con e ida a un en de pulsos - 390- cuya ecuencia es unción de la elocidad del ien o in- ciden e. Canal SPI. Diseñado pa a pode conec a un mic <>- p ocesado o una EEPROM. desde donde el in eg ado ecibe una ma iz de condiciones iniciales as el ese , que modi ican la con igu ación inicial al da alimen ación al ASIC. '" con e ido es digi ales analógicos es ocás icos. Con obje o de dispone de salidas analógicas en es e disp<>- si i o pu amen e digi al se inco po an 4 con e ido es digi ales es ocás icos de 10 bi s. El esquema de dichos con e ido es se mues a en la igu a (2). I I I XMSJ : I I I JWl. : <J<=1~'" j ~-+ < • : 9~'" IEll , _. Figu a 2: Diag ama de bloques de un con e ido digi al es ocás ico En dicho esquema apa ece un gene ado de núme os alea o ios de 10 bi s, [1] . El núme o gene ado es compa- ado en cada ciclo de eloj con el alo a con e i . El esul ado de la compa ación es la salida de cada con- e ido . El alo medio de los pulsos asi gene ados ep esen a, en e V SS Y V DD , el alo analógico del núme o digi al ca gado en el egis o, con la co espon- dencia O = V SS y 210 -I = V DD. Pa a ob ene el alo analógico a pa i del es ocás ico es necesa io in eg a dichos pulsos. A al e ec o se usa á un il o paso bajo RC enca gado de gene a la con e sión es ocás ica-analógica. Ob iamen e el izado de la ensión a la salida del il o debe se meno que la esolución del con e ido 1 que en es e caso es VDD - VSS 2" (1) donde n es el núme o de bi s que se desean de esolución. Sin emba go hay que ene en cuen a que, cuan o mayo sea la p ecisión, mayo se á el iempo necesa io pa a ga- an iza que en la salida del il o se enga el alo de- seado en la con e sión. La alo inicial empleado en cada gene ado de núme os alea o ios es dis in o, con obje o de pode ealiza la mul iplicación de enes es ocás icos con una simple pue a AND ex e na, [2J . Dos de los con e ido es digi al es ocás icos disponen de un algo i mo que les pe mi e unciona como con e - ido es analó~ico digi al con la ayuda de un il o RC ex e no y un compa ado . La ac i ación de dichos al- go i mos se ealiza esc ibiendo un 1 en el bi co espon- dien e en la con igu ación inicial. ! en adas de compa aci6n Es as en adas indican el alo digi al de la compa ación mayo /meno de un alo analógico y de una de las salidas es ocás icas con e idas a analógicas median e un il o RC . En la igu a (3) se mues a el esquema de dichos con e ido es. Es as en a- das se emplean pa a ealiza las con e sión analógica di- gi al, de al mane a que el con e ido digi al es ocás ico O (1) se emplea á pa a e ec ua la con e sión analógica digi al O (1) empleando la en ada de compa ación 0(1). + e¡il o de ap oximacione. lUOeSi u Figu a 3: Diag ama de bloques de un con e ido analógico digi al es ocás ico -39 - 3. Dimensionamien o de los il os de los con- e ido es D/A y A/D es ocás icos. Debido a condicionamien os económicos se ha em- pleado una ecnología pu amen e digi al. Los iempos eque idos en la con e siones analógica digi al y digi al analógica no son muy exigen es, lo que hace posible el uso de enes de pulsos como o ma de codi icación de señales analógicas. La u ilización de enes es ocás icos en ez de una señal P "'M p esen a nume osas en ajas que son expues as en [3J . Pa a con e i un en de pulsos es ocás icos a un alo analógico es p eciso il a los u ilizando un il o paso- bajo. El ipo de il o que se u iliza es, po mo i os de sencillez, una ed R-e, cuya cons an e de iempo es p eciso de e mina . Es a cons an e de iempo se debe elegi de o ma que la componen e de uido in eg ada po duzca luc uaciones de ensión a la salida del il o más pequeñas que la componen e de con inua del bi menos signi ica i o, pa a man ene la esolución del con- e ido . ,. , , .. ,. .. . .. .. ... ., ., ., Figu a 4: Densidad espec al de po encia. Pa a calcula la componen e del uido es p eciso o- nace p ime o la densidad espec al de po encia de una en de pulsos es ocás icos, [3J. La exp esión analí ica es: que se ha ep esen ado g á icamen e en la igu a (4). T ep esen a el pe iodo del eloj del in eg ado. La le a p ep esen a la can idad que se es á con i iendo, pe o e- ducida al in e alo (0,1), mien as que q=l-p. El p ime sumando de (2) ep esen a la po encia de la componen e de con inua de la señal mien as que el segundo puede conside a se como la po encia de un uido supe pues o que hay que elimina . La dinámica del il o debe se mucho más len a que la dinámica del eloj, ya que es p eciso in eg a muchos pulsos pa a pode es ima la compoonen e de con inua. El p ime ce o de (2) apa ece en wT = 21 , po lo que la ecuencia de co e del il o es á mucho más ce ca de w = O que de w = Y- y, consiguien emen e, la densidad espec al de po encia puede conside a se cons an e pa a el in e alo de ecuencias en el que in eg a el il o. Es a cons an e se calcula ácilmen e: l· 2 TI -cos(wT) T 1m pq = pq ",T-O (wT)' y, po an o: IS(w)1 '" 21 p'6(w) + pqT (3) Como se ha dicho, la componen e il ada del uido debe se más pequeña que la componen e de con inua co- espondien e al bi menos signi ica i o. Es a condición se impone pa a el caso más des a o able ( uido máximo) que se e i ica cuando p = q = 0.5. Teniendo es o en cuen a, esul a que la pulsación co espondien e a la e- cuencia de co e del il o debe e i ica : (4) Los con e ido es an e io es han sido p obados usando el emulado ha dwa e META de la emp esa METASYS- TEM, [4]. Pa a el con e ido digi al analógico se han conside- ado dos casos dis in os. En el p ime o se ha usado una R = 1 J(í! y e = 25pF . Es os alo es ga an izan que el ni el de uido de la señal de salida del il o sea meno que la componen e de con inua del bi menos signi ica- i o. El esul ado de la con e sión se ob iene al cabo de J.86ms, y su e olución se mues a en la igu a (5). La espu es a del con e ido se puede hace más ápida con o os alo es de R y C. En la igu a (6) se mues a el compo amien o pa a un alo de R = lJ(í! y e = 2.5pF . E iden emen e, la dinámica del sis ema es lO eces más ápida que el caso an e io , pe o el izado a la salida es mayo . El esul ado de un p oceso de con e sión analógico di- gi al, con unos alo es de R = 1I{í! Y e = 1. 0pF se mues a en la igu a (7). Se puede ap ecia co mo el iempo de con e sión pa a el p ime bi , el más signi- ica i o, es el doble que el u ilizado pa a los siguien es. 4. Conclusiones. El ci cui o in eg ado que aquí se desc ibe es á siendo desa ollado pa a se usado como un elemen o concen a- do de medidas ambien ales. Se le ha do ado de una g an capacidad de comunicación con el ex e io , que pe mi e accede en odo momen o al es ado de los egis os de - 392- Figu a 5: Respues a del CDA len o. , ( .' . .. Figu a 6: Respues a del CDA ápido. 5.0. ---~--~--~---~--~---' ;/ ..... ., ¡ ! ~ I , ! ! O.OO . "'0--O:C . O:: :::"'--'O:C.02~5 ---:-0 . 7.03~75;--::O.:!:050;;:---::O-:.0625=--::0-!.07 5'" Figu a 7: Respues a del CAD. almacenamien o de da os. Debido a su diseño modula se ha conseguido una g an simplicidad en su unciona- mien o in e no. La p incipal no edad de es e diseño ha sido la inclusión de con e ido es analógico digi al y digi al analógico usando ecnología pu amen e digi al más un pequeño ci - cui o ex e no. Es o ha sido posible g acias a ene unas aplicaciones con unos iempos de con e sión poco exi- gen es. Los di e en es módulos del ci cui o han sido desc i os median e el lenguaje VHDL. Pa a lle a a cabo el de- sa ollo se es á haciendo uso de he amien as de diseño como SYSNOPSYS y CADENCE, así como del po en e emulado de ci cui os in eg ados META, capaz de ep o- duci ielmen e el uncionamien o de un ci cui o. En cuan o a las especi icaciones de és e, se han elegido las lib e ías del ab ican e ES2. La ecuencia de uncio- namien o es de 16 Mhz. y la ecnología, S andad Cells 0.71'. - 393- Re e encias [1] W. Pe e son. E o Co ec ing Codeso MIT P ess. 1 99 2. [2] B.R.Gaines, "S ochas ic Compu ing Sys ems". Ad- anees in In o ma ion Sys ems Science, 2, pp. 37- 172, 196 9. [3] J.G. O ega, C.L. Jane , J.M. Que o y L.G. 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