Simplificarea proiectării sistemelor de securitate

23 MARTIE 2009

Flexibilitatea soluţiilor de programare single-chip programabile
Inginerii care dezvoltă sisteme moderne de securitate precum: detectoare de fum, detectoare de mişcare sau de spargere sticlă au văzut ca o provocare modalitatea de realizare a aplicaţiilor lor. S-a pornit de la soluţii construite ca funcţii fixe realizate din câteva componente, însă rapida integrare de sistem a pătruns şi în acest domeniu. În trecut, soluţiile ASIC pentru conversie şi condiţionare de semnal sau pentru comunicaţii în cazul sistemelor bazate pe magistrale, erau cunoscute şi frecvent utilizate. Însă, aceste soluţii nu oferă flexibilitatea de a reacţiona rapid la o schimbare a mediului, precum tipuri diferite de senzori şi standarde de comunicaţii.
Fiind blocate de funcţiile fixe ale sistemului ASIC, nu pot fi construite cu uşurinţă sisteme adaptive cu caracteristici de compensare de temperatură, de compensare a comportamentului în timp al senzorilor şi a altor influenţe externe, precum nivele crescute de zgomot în mediu. Miniaturizarea, capacitatea crescută de networking şi înregistrare de date sunt cerinţe suplimentare pentru soluţiile moderne şi flexibile din domeniu.

Sistem PIR de detectare a mişcării
În figura 2 este prezentată o parte din schema unui detector de mişcare bazat pe un senzor PIR (passive infrared).
Acest sistem amplifică semnalul de la senzorul PIR în două nivele şi îl compară cu ajutorul unui dispozitiv comparator. Acesta va scoate la ieşire un semnal de nivel superior în cazul unui eveniment de detecţie a mişcării, care este apoi utilizat pentru afişare direct pe display-ul utilizatorului sau este comunicat unei unităţi centrale dintr-un sistem de securitate mai mare. Indiferent cum, această funcţie fixă nu dispune de posibilitatea reglării în timpul funcţionării în cazul modificării unor parametri şi – chiar mai important – consumă un curent în jurul valorii de 80µA, ceea ce duce la diminuarea duratei de funcţionare a unui sistem alimentat de la baterii. În figura 3 este prezentat un sistem de detectare a mişcării PIR bazat pe microcontrolerul MSP430F20x3 de la TI.
Această soluţie single-chip asigură interfaţa senzorului PIR direct la microcontroler, unde ieşirea este amplificată cu ajutorul amplificatorului integrat PGA (programmable gain amplifier) de până la 32 de ori şi convertită cu ajutorul ADC 16 biţi sigma-delta on-chip într-o valoare digitală. Acest lucru reduce numărul componentelor externe la zero, ajutând astfel la reducerea spaţiului de placă ocupat şi la micşorarea costului. Mai mult, referinţa de tensiune integrată şi senzorii de temperatură oferă caracteristici suplimentare. Oscilatorul de frecvenţă foarte redusă VLO integrat nu necesită cristal de cuarţ pentru operare la cea mai joasă putere. Şi în cele din urmă, dar nu mai puţin important, consumul de curent este redus de 10 ori, adică la aproximativ 8µA, conducând la îmbunătăţirea semnificativă a duratei de viaţă a bateriilor. Comunicaţia printr-un sistem de magistrală poate fi cu uşurinţă implementată cu ajutorul interfeţei de comunicaţie universale (USI).

Perifericele analogice inteligente degrevează CPU pentru a putea îndeplini alte sarcini
După cum funcţionalitatea unor ASIC-uri specifice este preluată de module de periferice integrate pe microcontrolere, este crucial ca acestea să fie foarte flexibile şi să poată acoperi o gamă largă de funcţii posibile. Modulul ADC10, prezentat în figura 4, este un convertor analog/digital flexibil pe 10 biţi, 200ksps+, ce dispune de câteva funcţii suplimentare.
Sunt deja integrate un senzor de temperatură independent şi un canal pentru detectarea consumării bateriei. Pot fi utilizate o referinţă internă de tensiune 1,5V/2,5V, VCC sau o referinţă externă. ADC10 oferă câteva caracteristici cu scopul de a reduce încărcarea CPU, de a îmbunătăţi performanţa şi de a reduce consumul de curent.
Pornirea poate fi declanşată software sau prin utilizarea unei ieşiri de la un temporizator pentru un start precis independent de activitatea CPU. Pentru începerea unei conversii software-ul nu trebuie să fie împovărat. Auto-scanarea permite canalelor să fie secvenţiate automat fără intervenţia CPU. Se eliberează astfel software-ul de la a îndeplini această sarcină de bază, dar importantă în numeroase aplicaţii multi-canal. Controlul transferului datelor (DTC) este utilizat pentru a transfera automat rezultatul conversiei ADC10 direct în memorie, din nou fără intervenţia CPU. Această caracteristică permite operarea continuă la o viteză ridicată a conversiei (200ksps+) fără software adiţional. DTC transferă continuu ieşirea ADC10 direct în orice locaţie de memorie, care poate fi configurată ca un buffer, până la 256 byte. Odată ce acest buffer este plin sau jumătate plin, poate fi generat un semnal de întrerupere pentru a indica procesorului că în curând datele vor fi suprascrise. Pentru fiecare transfer DTC în memorie este necesar un ciclu de magistrală, în care CPU-ul este automat oprit pentru a se evita conflicte de magistrală. Software-ul CPU se poate concentra pe procesare de date de nivel mai înalt şi nu pe manipulări elementare de date. Se pot elabora astfel produse mai avansate cu un consum energetic mai redus şi utilizând un spaţiu de program mai mic.

Sisteme de detectare a spargerii geamurilor
F20x2 cu convertorul său ADC pe 10 biţi descris mai sus este ideal pentru aplicaţii portabile alimentate la baterii, care necesită de asemenea procesare de semnal digital în timp real. Exemplul prezintă un detector de spargere de sticlă.
Această aplicaţie alimentată la baterii menţine dispozitivul majoritatea timpului în modul de aşteptare, consumând sub 1µA. La intervale de 10ms, temporizatorul integrat pe 16 biţi scoate amplificatorul operaţional (OPA) TLV2470 din modul închis şi declanşează convertorul ADC pe 10 biţi pentru a prelua cu rapiditate probe. După ce preluarea prin ADC a probelor este completă, şi toate datele achiziţionate au fost transferate în RAM de către DTC, ADC şi OPA sunt automat închise. Apariţia unei întreruperi forţează CPU să fie activ şi porneşte oscilatorul de mare frecvenţă. CPU-ul procesează probele cu datele achiziţionate pentru a determina prezenţa unei indicaţii corespunzătoare. Dacă este determinată o posibilă spargere de sticlă, CPU reporneşte imediat ADC şi continuă să achiziţioneze probe pentru o analiză mai detaliată. DTC automatizează manipularea datelor de la ADC, permiţând microcontrolerului să rămână în mod de consum redus pentru a economisi energie sau pentru a se axa pe procesarea semnalului şi nu pe simpla manipulare a datelor. Deoarece soluţia se bazează pe microcontroler, sistemul poate fi adaptiv, utilizând inteligenţa software pentru a se adapta schimbării mediului. De exemplu, dacă nivelul mediu de zgomot este crescut, pragul pentru o posibilă spargere de sticlă poate fi crescut pentru a fi eliminate alarmele false.

O familie de microcontrolere cu amprentă redusă cu periferice puternice
Familia MSP430F20xx este o alegere puternică pentru sistemele de securitate moderne. Ea se bazează pe un miez CPU RISC pe 16-biţi cu performanţe de până la 16MIPS. Trăsătura esenţială a acestei familii – ca şi în cazul tuturor celorlalte familii MSP430 – este consumul energetic ultra-redus de la 0,1µA în modul de memorare RAM la 0,5µA în modul de aşteptare (ceasul funcţionează) şi sub 1µA pentru un cristal de cuarţ de 32kHz comandând modul de ceas de timp real. Toate aceste valori sunt măsurate cu un circuit activ BOR (brownout reset) on-chip, care asigură salvarea operaţiilor şi pornirea în condiţii critice ale tensiunii de alimentare. În modul activ, familia consumă 220µA pe o viteză de ordinul MHz.
Sunt disponibile o varietate de module analogice. Începând cu un modul comparator de înaltă precizie de exemplu pentru conversii analog digitale, cu modul temporizator integrat în versiunile F20x1 prin convertorul descris ADC pe 10 biţi, cu controler de transfer de date în versiunile F20x2 şi convertor delta sigma pe 16-biţi în familia F20x3. Pentru a minimiza spaţiul necesar de pe placă, toate versiunile de mai jos sunt de asemenea disponibile în capsule mici QFN 4 mm x 4 mm. Integrarea pe un singur cip de module analogice este completată de integrarea unui rezistor programabil de pull-up pe pinii de I/O. În ceea ce priveşte aceste sisteme miniaturizate, caracteristicile de emulare sunt de asemenea un important criteriu de selecţie. Interfaţa integrată Spy Bi-Wire utilizează numai 2 pini şi oferă capacitatea de emulare on-chip în timp real bazată pe JTAG, importantă în special cu nivele înalte de integrare analogică.

Sumar
Sistemele de securitate moderne pot fi implementate foarte uşor cu ajutorul familiei de microcontrolere MSP430F20xx de la Texas Instruments. Nu numai că aceste soluţii moderne sunt foarte flexibile ca implementări pe un singur cip, dar ele grăbesc timpul de apariţie pe piaţă şi simplifică logistica cu plăci de aplicaţie mai mici şi mai puţin populate. De asemenea însă, utilizatorul final va simţi avantaje clare legate de extinderea semnificativă a duratei de viaţă a bateriilor – deoarece nu sunt niciodată la îndemână baterii atunci când ai mai mare nevoie …

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO
Tel: 021 204 81 00
Fax: 021 204 81 30
birou.vanzari@ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre