Les technologies intelligentes modernes dépendent des données. Qu’il s’agisse de connecter les opérations d’une usine intelligente ou de faire fonctionner les véhicules autonomes dernier cri, ces technologies s’appuient sur les informations fournies par un ensemble de capteurs. Celles-ci permettent de créer une image précise de l’environnement. Les machines peuvent utiliser le modèle créé par ces données pour interagir avec le monde réel, que ce soit pour éviter les dangers, reconfigurer les fonctions pour faire face à de nouvelles demandes, surveiller leur état et demander une maintenance. La plupart des informations provenant du capteur se présentent sous la forme de signaux analogiques basse tension, qui doivent être convertis avant d’être traités numériquement. Le front-end analogique (AFE) est une solution qui fait le lien entre les capteurs analogiques et les tout derniers processeurs numériques.

Limites des microcontrôleurs

Le microcontrôleur (MCU) est un composant essentiel des équipements électroniques modernes. Il comprend plusieurs composants, dont le processeur, ses ressources de mémoire dédiées, des interfaces de communication et une gamme de périphériques. Dans certains cas, il peut s’agir d’un convertisseur analogique-numérique (CAN), essentiel pour tout MCU destiné à traiter les signaux provenant de capteurs analogiques.

Cependant, si le microcontrôleur peut recevoir ces signaux, cela n’est pas son rôle principal. Les limites du MCU lors du traitement des signaux analogiques tiennent au fait qu’il s’agit d’un dispositif numérique. Le CAN de base dont sont équipés de nombreux MCU convient pour les tâches de détection où la précision n’est pas essentielle. Cependant, pour toutes les applications qui dépendent de la précision, un CAN dédié de 16 ou 24 bits fournira de bien meilleurs résultats.

La fonctionnalité numérique du microcontrôleur est également une limitation en termes de bruit numérique. Les signaux analogiques sont très sensibles aux interférences, ce qui nécessite isolation et conditionnement du signal. Sans ces fonctions spéciales, les MCU auront un mauvais rapport signal/bruit, en particulier lors du traitement de signaux basse tension. Toute application qui détecte avec précision de petites fluctuations est essentielle et nécessitera de meilleures performances que celles que peut fournir un microcontrôleur moyen.

Ces fonctions CAN de base n’ont pas non plus la fonctionnalité spéciale des composants analogiques dédiés. La large plage dynamique d’une combinaison de différents types de capteurs nécessitera des circuits supplémentaires, ce qui augmentera la complexité du circuit imprimé (PCB) et le nombre de composants requis.

Par conséquent, lorsque vient le moment de traiter un grand nombre d’entrées analogiques provenant d’une large gamme de types de capteurs, les microcontrôleurs font face à des défis importants.

Solution : le front-end analogique

La solution à ce défi consiste à utiliser une ressource à même de recevoir de grands volumes de signaux analogiques et à les préparer pour le traitement par des dispositifs numériques. Le front-end analogique (AFE) est un dispositif placé entre les capteurs et le microcontrôleur. Sa principale fonction est de recevoir les signaux bruts créés par les capteurs et de les préparer à la conversion. Les AFE les plus simples effectuent une tâche appelée conditionnement du signal. Les signaux reçus par l'AFE sont amplifiés de sorte à pouvoir être convertis correctement en un signal numérique, puis filtrés pour éliminer les bruits indésirables.

Cependant, les derniers AFE intègrent une conversion analogique-numérique haute résolution sur la base d’une technologie 16 bits ou 24 bits. Cela signifie que la sortie de l’interface analogique est un signal numérique propre, prêt à être traité lorsqu’il atteint le microcontrôleur. La suppression de la nécessité pour le MCU d’effectuer sa propre conversion analogique-numérique simplifie et accélère considérablement son fonctionnement, ce qui permet de traiter les données plus rapidement et d’améliorer les temps de réponse.

L’utilisation d’un front-end analogique présente également des avantages logistiques et financiers. Le remplacement de circuits potentiellement complexes par un AFE simplifie la conception des PCB, ce qui réduit les délais de mise sur le marché. Cela réduit également le nombre de composants dans la nomenclature et, étant donné que le microcontrôleur n’a plus besoin de conversion analogique-numérique intégrée, permet de choisir une option moins coûteuse.

Nous apportons la solution

NXP est une entreprise qui comprend les limites des processeurs numériques dans la gestion de grands volumes de signaux analogiques. Elle fabrique une large gamme de microcontrôleurs adaptés aux applications exigeantes des secteurs de l’automobile et des usines intelligentes et apporte avec ses AFE de nouveaux niveaux de capacité au client.

La gamme de front-ends analogiques N-AFE est idéale pour les toutes dernières applications d’automatisation industrielle qui fonctionnent avec des capteurs. Les circuits intégrés N-AFE sont hautement configurables. Malgré leur capacité à recevoir un grand nombre de signaux, chaque entrée peut être configurée pour des tâches spécifiques et différenciée pour les besoins de différents types de capteurs, de la tension et du courant à la température ou à la pression.

La carte AFE Shield 8 canaux à entrée universelle NAFE13388-UIM d’Arduino est conçue pour évaluer la NAFExx388, un AFE multicanal de qualité industrielle hautement configurable. Cette carte Arduino présente une conception matérielle compacte et une configurabilité logicielle améliorée avec des packs de pilotes CMSIS ouverts universels. Une évaluation plus universelle est possible avec les cartes d’évaluation NAFEx88-EVB, qui ne sont pas limitées au format Arduino.

Présentation de la gamme N-AFE

En raison de leur précision, les produits de la gamme N-AFE sont précieux pour les clients de l’automatisation industrielle. Une précision accrue permet un meilleur contrôle de la qualité dans la fabrication, ce qui améliore le rendement et réduit le gaspillage. Ces produits peuvent également jouer un rôle important dans la maintenance de l’usine elle-même. Une détection précise dans les machines de l’usine peut permettre d’identifier rapidement les pannes potentielles, ce qui permet aux opérateurs d'effectuer la maintenance avant que la chaîne de production ne s’arrête. Cela se traduit par la diminution des temps d’arrêt causés par des pannes imprévues.

Le front-end analogique (AFE) réduit non seulement la complexité des circuits imprimés, mais offre également une plus grande précision. Résultat : un environnement de fabrication plus productif, avec un débit accru et moins d’arrêts de ligne imprévus. La série N-AFE de NXP offre des front-ends analogiques configurables de haute précision qui rationalisent la conception des cartes, améliorent la précision des signaux et contribuent au développement de l’usine du futur.