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
,
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El'o"TRADAS
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DIGITALES
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I pe iodo I
I~
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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.
F anquelo. "Analog o Digi al and Digi al o
Analog Con e sion Based on S ochas ic Lo-
gic." .P oceedings
de
JECON'95. A p esen a en
No-
iemb e de 1.
995
en
O lando, Es ados Unidos.
[4]
META Use Guide VJ.J. Me a Sys ems.
1994
.