MASTERS Brasil 2018in ≤ 10V →OPAMP based • 3 resistors + OPAMP = precision rectifier • 5 resistors + OPAMP CIP = precision rectifier with Gain > 1! • ≤100Hz, PIC OPAMP

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MASTERS Brasil 2018

Aula Obrigatória para reduzir o número de componentes e custos do seu projeto utilizando CIP’s


Objetivos da Aula

Ao final desta aula você poderá…

• Identificar aonde CIPs podem ser utilizados em seus projetos

• Ter tranquilidade ao utilizar CIPs.

• Tomar proveito da ferramenta MCC para configurar CIPs.


Agenda

• CIPs, por que utiliza-los?

• CIPs disponíveis.

• Utilizando CIPs em aplicações reais.

• Como configurar CIPs utilizando MCC.


CIPs?

• Os CIPs, ou Core Independent Peripheralsforam criados com o objetivo de:• Acelerar o desenvolvimentos de aplicações

embarcadas.

• Integrar funções antes implementadas em componentes discretos (redução de custos!)

• Desonerar a CPU dos MCUs, criando automatização de processos.

• Integrar Periféricos do MCU.

• Melhorar a performance de funcionalidades analógicas e/ou time-sensitive.


CIPs?

• CIPs podem ser utilizados para acelerar o desenvolvimento de funções autônomas, não necessitando firmware para que operem.• Exemplo: Como implementar um LED em modo

heartbeat sem CIPs?

Exemplo

• Periféricos?• PWM

• Timer

• GPIO

Decrementar

Contador

Incrementar

Contador

tabela

TMRxIF

TMRxIF

Limites da

Tabela


CIPs?

• Exemplo: Como implementar um LED em modo heartbeat utilizando CIPs?

• Usando apenas os seguintes CIPs (nenhum código!)• PWM

• NCO – Numerically Controlled Oscillator

• CLC – Configurable Logic Cell

Exemplo

• O Objetivo neste caso será construir duas ondas quadradas com frequências diferentes e modular as duas utilizando uma porta AND do CLC.

Fpwm – Fnco = Fbeat

(488.28Hz – 488Hz = 0.28Hz)


CIPs?

• Exemplo: Como implementar um LED em modo heartbeat utilizando CIPs?

Exemplo

PWM

NCO

PWM & NCO

AND (&)

=


CIPs?Exemplo


CIPs?Exemplo

PPS para obter resultado em 8 saídas


16-bit PWM

Tipos de CIPs

• Nós já exploramos alguns CIPs no exemplo anterior, mas a lista é bem maior...

CLC

CWG/COG

PPS

NCO

f x n/mSMT

PSMC

CRC-WWDT

HLT

ZCD

Angular Tmr

100mA

MACC

ADC2


Tipos de CIPs

• Vamos agora abrir o datasheet da família PIC16 e explorar cada um destes periféricos!


Tipos de CIPs

• Que tal conversarmos sobre aplicações reais aonde CIPs são usados na indústria para resolver os seus problemas?


Multiplicador Analógico / Retificador de precisão

Y=A×|Uin|+C (usando CIPs)


Calculo de Potencia

• Formula para potencia: P(t) = V(t) × I(t) (com sinal)• MCUs 8bit MCU não são otimizados para cálculos com sinal

• ADCs medem apenas tensão → V(t) e I(t)• P(t) = | V(t) |×| I(t) | → apenas cálculos sem sinal ✔

• P(t) ∝ ADC(|V(t)|) × ADC(|I (t)|)• P(t)[ponto fixo] = ADC(|AU×V (t)|) × ADC(|AI×I (t)|) ✔

• Resultando em apenas uma multiplicação sem sinal (8,10 ou 12 bit) ✔

• Como solucionar |AU×V (t)| utilizando CIPs???• O CIP Amplificador operacional realiza cálculos analógicos!

• V (t) → Retificado em onda completa → | V (t) |

• | V (t) | → amplificado → | AU×V (t) | ✔ Igual para UI(t)


CIP como Retificador de Precisão

• Um retificador não ideal: Vout=Vin – (2×Vdiode )

• Vdiodo ≈ 0.6V

• Para um MCU 3V3: 2×Vdiodo ≈VDD/2

• Vin ≤ 10V → OPAMP based• 3 resistors + OPAMP = precision rectifier

• 5 resistors + OPAMP CIP = precision rectifier with Gain > 1!

• ≤100Hz, PIC OPAMP delivers ideal rectifier characteristics

• High frequency, very low voltages saturates OPAMP


Retificador Ideal

-

+

ADC12bit

-

+

~R

PIC16F17xx

R = 35kΩ

ganho = 1

FIR

Ta

be

la d

e

Co

nve

rsã

o

Dete

cç

ão

cli

pp

ing

IIR

Dete

cç

ão

de

pic

os

1VPP

0.5VPP

0.5VPP

R

R

Input

CMP

CMP

DACs8-bit

ISR

Usu

ari

o


Visualização no Scope


Melhorando a resolução do PWM utilizando CLC e NCO para dimerização da LEDs


Resolução de um PWM

• A resolução de um PWM é dada pelo numero de ticksdentro de um período

• Resolução normalmente é medida em bits

• E pode ser calculada a partir do logaritmo base 2 da máxima contagem para o pulso do PWM

• Resolução PWM = log2(N)

1 2 3 4 N

Numero de ticks em um pulso PWM (N)


PWM ConvencionalResolução

• A resolução PWM é dada por

• log2(TPWM/TOSC) ou

• log2(FOSC/FPWM)

Resolução PWM = log2((PR2+1)x4)

• Supondo FOSC constante, quanto maior a frequência PWM, menor a resolução. Sendo a reciproca também verdadeira.

• Mantendo a frequência PWM constante, e aumentando FOSC a resolução também é incrementada.


Curva de Dimmer para Iluminação LED com PWM

• O olho humano percebe intensidade de luz de maneira exponencial.

• Em baixas porcentagens, maior resolução do PWM é necessária para o dimmer do LED.

PW

M D

uty

Cycle

%

Intensidade luminosa perceptível

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Alta resolução do PWM

necessária


Aumentando a resolução do PWM

• O menor ajuste que pode ser feito com o PWM convencional é determinado pelo TMR2

Menor ajuste = TOSC x (TMR2 Prescale)

• Usando o overflow do Numerically Controlled Oscillator (NCO), pode-se obter um ajuste muito fino do pulso PWM vindo do TMR2

NCO

f x n/m


Usando NCO para aumentar a Resolução do PWM

• O NCO não é capaz de produzir um sinal PWM por si próprio, portanto necessita de logica adicional com o CLC para produzir a saída PWM.

• Neste caso o NCO apenas determina a largura do pulso (dutycycle) PWM

• Um clock chaveado ira determinar o período do PWM• Este clock pode inclusive ser uma saída PWM convencional, que pode ser

conectada a um CLC


Diagrama

Clock

Conexões com o CLC

NCORegistrador de

IncrementoFosc

Ajuste do duty cycle

Ajuste da freq.

Controle do Duty cycle

Controle do clock

PWM de alta Resolução

PWM convencionalDetermina o

Período


Diagrama Temporal

NCO_OUT

PWM_OUTConvencional

PWM_OUT& Fosc

(NCO_CLK)

NCO_OUT & FOSC

(NCO_CLK)

Overflow do NCO，Saída do NCO com logica

negativa

TPULSE = (220 x Tosc)/(Increment Value)

Próximo overflow


Configuração do CLC

Fosc

Fosc

PWM4_OUT

NCO_OUT

NCO_CLK


Resultado

• Mais detalhes no Application Note AN1476


LEDs RGB

Protocolo PWM 800 Khz para LEDs WS2812S


Por que o LED WS2812 é tão Popular?

• Pequeno form-factor

• Driver interno para os LEDs

• Não há necessidade de componentes externos

• Baixo custo


Diagrama de Tempos

T0H

T1H

T0L

T1L

0 code, High voltage Time

1 code, High voltage Time

0 code, Low voltage Time

1 code, Low voltage Time

0.4µs ±150ns

0.8µs ±150ns

0.85µs ±150ns

0.45µs ±150ns

Data Transfer Time ( TH + TL = 1.25µs ±600ns )

RES Low Voltage Time > 50µs


Pacotes de 24 bits

D1 D2 D3MCU

24 bits Data 24 bits Data 24 bits Data

24 bits Data 24 bits Data

24 bits Data

24 bits Data 24 bits Data 24 bits Data

24 bits Data 24 bits Data

24 bits Data

MCU Output

D1 Output

D2 Output

Reset Interval

Data used by D1

Data used by D2Data used by D1

Data used by D1

Data used by D2Data used by D1

Red Data[7:0] Blue Data[7:0]Green Data[7:0]24-bit Data Format


Diversas soluções Disponíveis

• E duas soluções documentadas em Application Notes


Solução com CLC+UART+PWM


Medidor de Distancia Ultrassônico


Ultrassom

• Um transmissor ultrassônico para detecção de distancia envia pulsos de 40KHz

• Velocidade do som pelo ar:

V m/sec = 331.5m+0.60714t (343 m/sec @20℃)

20Hz 20kHz 20MHz

Infrasound Acoustic Ultrasound


Onde Ultrassônica O

bje

to

Tx

Rx


Logica do circuito TX

PWM 40kHz

NCO 1kHz

COG

Half

Bridge

AND

Timeroption

RR


Logica do Circuito RX

• Iniciando pela Distancia (20℃)

• O sinal RX é muito pequeno, por isso o circuito de pre-amplificação (também é um CIP)

Distancia (um) = 𝑇𝑖𝑚𝑒𝑟 𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡 𝑢𝑠 ∗343

2(m/s)

Input

Capture

Timer 1us

R1

R1

R2

R2

FVR

DACVdd/2

-

+

-

+OP

CMPR

C

: CIP function


Onda a 1 metro


Outras Soluções

• O AN1536 faz a solução utilizando o PIC16F1769.

• No AN2548, uma solução também é realizada utilizando os CIPs dos produtos AVR.


Nebulizador utilizando VibratingMesh


Reservatório

do liquido

Malha

piezo

Como esta Tecnologia Funciona?

• A técnica vibrating mesh é uma das mais recente implementações para dispersão de medicamentos via nebulizadores.

• O sistema é geralmente composto de um reservatório para o medicamento líquido com uma malha piezoeléctrica que possui furos a laser.

• Um circuito eletrônico ativa o elemento piezo na malha para que vibre e o liquido atravesse os furos em forma de vapor.


Requisitos do Sistema

110-150 KHz

35-60 Vp-pGerador de

onda senoidalCircuito

Boost

Bateria

4.5v nom


Implementação

• PIC16 de baixo consumo

• Core Independent Peripherals• Não há necessidade de interação com o SW após a

inicialização dos periféricos

• Boost de tensão• Pulse Width Modulators (PWM)

• Configurable Logic Cell (CLC)

• Op Amp/Comparadores

• Fixed Voltage Reference (FVR)

• Digital to Analog Converters (DAC)

• Gerador de onda Senoidal• Numerically Controlled Oscillator (NCO)


Circuito Boost

• Controlador Boost em histerese

• Usando PWMs para geração dos pulsos

• Pulsos são cortados quando tensão alcança o limite definido

• Corte de segurança em caso de sobrecorrente

• Limites de tensão e corrente são definidos pelos DACs internos.

*


Forma de Onda do Boost


Gerador da Onda Senoidal

• Circuito• NCO gera uma onda de

frequência variável com 50% de duty cycle.

• Q2 abaixa a tensão do piezo.

• L2 (boost) aumenta a tensão do piezo.

• L3 como ressonante com o piezo, causa a tensão no piezo a ser senoidal.

• ADC monitora a corrente de saída

• Circuito de detecção de picos possibilita o monitoramento da tensão no elemento piezo.


Output Waveform


Monitoramento de Potencia

• Bateria (3x AAA)

• Proteção de polaridade invertida

• Fusível de sobrecorrente

• Output Enable para o Boost

• Botão• PIC® MCU acorda e ativa a

saída boost

• Segundo clique disabilita o boost e o PIC volta ao Sleep

• LED• Verde Durante operação

• Vermelho para bateria baixa*


Diagrama de Blocos

PIC16F1713

CLC

NCO

ADC

First Boost Stage (10-20V)

Piezo Output Stage (30-60V,

90-150 KHz Sine Wave)

Piezo Mesh Disk

MCP2221USB-to-UART Converter

USB

CMP2

DAC1

CMP1

+

-

-

+

PWM3

PWM4

OPA2+

-

3 Cell AAA Batteries

I/Os

EUSART

Button

LEDs

Output Current

Output Voltage

Boost Current

VDD

Boost Voltage

DAC2

Boost Gate

Output Frequency

OPA1+

-

R

R R

R.

.

.

.

.


App Note


Utilizando o MCC para configuração dos CIPs


DEMO - Heartbeat


Resumo

• Hoje nós...

• Conhecemos as opções disponíveis para o uso de CIPs.

• Conversamos sobre aplicações reais utilizando CIPs.

• Vimos exemplos detalhados de como os CIPs podem acelerar o desempenho de sistemas embarcados.

• Conhecemos o ambiente de desenvolvimento MCC e como ele pode ser utilizado para implementar os CIPs em sua aplicação. Especialmente CLCs.


Obrigado!

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