WEBENCH 센서 AFE 디자이너 사용 방법

센싱 애플리케이션 설계 시, 전기회로도는 센서 신호 증폭을 위해 디지털 형태로 변환이 이루어져야 하는데 이를 위해 기존에 사용되던 디스크리트 연산 증폭기, 아날로그-디지털 컨버터, 수동소자는 여러 가지 단점을 갖는 것으로 확인됐다.
이에 대응한 TI의 센서 AFE 플랫폼은 특정 센서 타입별로 최적화된 제품을 제공해, 긴 하드웨어 개발 주기를 대체할 수 있는 대안을 제공하며 각각의 센서 신호 경로를 위한 특별한 레지스터 셋팅도 설정할 수 있도록 개발됐다.

Shrikrishna Srinivasan  텍사스 인스트루먼트


센싱 애플리케이션 관련 설계 시, 센서 신호 증폭에 필요한 전기회로도는 통상적으로 컨디셔닝을 요구하므로, 이를 위해서는 대부분의 경우 디지털 형태로 변환이 이루어져야 한다. 일반적으로 이 작업에는 디스크리트 연산 증폭기, 아날로그-디지털 컨버터(analog-to-digital converter, ADC), 수동소자가 사용된다. 하지만 이들은 가격이 비싸고 사용이 복잡할 뿐만 아니라 설계가 어렵고 유연성도 떨어져 설계 변경이 어려운 단점을 갖는 것으로 알려져 있다.
이에 대응한 TI의 구성형 센서 아날로그 프론트 엔드(configurable sensor analog front-end)는 광범위한 센서 애플리케이션에 고집적 단일칩 솔루션을 제공해 기존 센서 신호 설계의 문제점을 해결할 수 있도록 개발됐다.
이 글에서는 이와 관련해 시스템 엔지니어가 센서 AFE 플랫폼을 설계, 구성, 평가하는 데 있어 WEBENCH^® 센서 AFE 디자이너 소프트웨어가 어떤 도움을 줄 수 있는지에 대해 살펴봤다.
특히 온도 및 압력 센싱 애플리케이션의 구체적인 예를 통해 단계적인 프로세스를 설명했으며, 다양한 센서 제품 중 적절한 센서 선택 방법, 애플리케이션에 최적화된 AFE 설계 및 구성(configuration), 본 소프트웨어를 이용해 그 구성을 센서 AFE 칩에 다운로드 시킬 경우 신호 경로를 평가하는 방법에 대해 검토했다.
앞에서도 간단히 살펴봤듯이 이러한 센서 AFE 플랫폼은 온도, 압력, 로드 셀, 화학적, 독성 및 비독성 가스 센싱 등에 다양한 센싱 애플리케이션을 지원하도록 개발됐다. 또한 이것은 특정 센싱 애플리케이션을 지원하기 위해 다수의 센서 AFE 디바이스를 사용할 수도 있는데, 예를 들면 온도 센싱 애플리케이션에 LMP90100, ADS 1248, ADS 1118과 같은 세 종류의 디바이스를 사용하는 것이 가능하다.
이를 기반으로 실제로 이것을 구현하려면 TI 웹사이트(www.ti.com/ww/kr)의 ‘온라인’ WEBENCH^® 센서 AFE 디자이너 소프트웨어를 사용해 설계를 시작하면 된다. 이때 우선 센서 타입을 선택한 후 ‘START DESIGN(설계 시작하기)’ 버튼을 클릭하면 설계 프로세스가 진행된다(그림 1).



이 글에서는 이와 관련해 실제로 온도 센서인 저항 온도 감지기(resista-nce tempera-ture detector, 이하 RTD)를 선택한 경우를 살펴보기로 하자. 이처럼 RTD를 선택하면 LMP 90100을 위한 센서 AFE 소프트웨어가 실행되거나 아니면 디바이스 제품 폴더에서 AFE 소프트웨어가 실행되기도 한다. 이 외에도 ADS1248과 같은 온도 센싱 애플리케이션을 위한 상이한 센서 AFE 디바이스가 제품 폴더에서 실행되는 경우도 있다.
여기서는 이에 대한 전반적인 설계 및 평가 프로세스를 설명하기 위해, 온도, 압력, 로드 셀 센서를 지원할 수 있도록 고안된 다채널 IC인 LMP90100 센서 AFE를 채택했다. 이 LMP90100은 임베디드 프로그래머블 게인 증폭기(PGA)를 포함한 형태로 제작된 것으로, 입력 MUX는 4개의 차등 입력 및 7개의 단일 엔드 입력을 수용하도록 설계됐다. 또한 지속적인 백그라운드 캘리브레이션 기능 및 감지 기능을 제공하며, 조정 가능한 샘플 레이트와 24bit 시그마-델타 ADC를 포함할 수 있도록 개발됐다.

센서 선택과 디바이스 구성

소프트웨어가 초기화되면 데이터베이스에서 센서를 선택해 구성 프로세스를 시작해야 한다. 이때 데이터베이스에 존재하는 센서 이외의 센서가 필요한 경우에는 센서를 맞춤화하면 된다(그림 2 참조).



이는 애플리케이션이 데이터베이스에 있는 센서 민감도와 다른 민감도를 요구할 경우에 특히 유용하다.
여기에 필요한 센서 민감도는 센서의 데이터 카운트/전압 출력으로부터 측정되는 양(현 예에서는 온도)을 계산하는 데 사용된다. 실제로 이 사례에서는 PRCTL-2-100-B-1/4-24-40과 같은 RTD를 선택했다.
이처럼 센서가 선택되면, ENOB (effective number of bits)를 최대화하기 위해 레지스터 셋팅을 사전 구성할 필요가 있다. 이때 필요한 게인은 1X, 샘플 레이트는 26.8315SPS이다. 이것이 완료되면 추정 ENOB, NFR (noise free resolution), 입력 기준 잡음(input referred noise), 전력 소비 그리고 디바이스 에러를 포함한 업데이트된 퍼포먼스 파라미터를 관찰하고 레지스터를 변화시키면서 설계 트레이드 오프(tradeoff)를 검토해야 한다. 이때 관측되는 디바이스 에러는 오프셋, 게인 그리고 적분 비선형(integral non-linearity, INL) 에러를 결합한 것으로, 특정 센서 온도에서 결정된다.
이를 고려해 통상적으로 작동 센서 온도는 디바이스 에러와 함께 지정된다. 물론 이 파라미터들은 사용 중인 특정 센서 AFE에 해당되는 것을 나타낸다.
이에 근거해 블록 다이어그램의 해당 블록을 클릭하면 그림 3에서 관찰할 수 있는 것과 같은 현 레지스터 셋팅 윈도가 열리게 된다.



이와 더불어 이 경우에는 한 번에 모든 레지스터 리스트를 보여주는 레지스터 맵 또한 이용 가능하다(그림 4).



이때 게인이 1x, 샘플 레이트가 26.8SPS인 경우, 잡음은 2.90μVrms, ENOB은 21.5bit, 디바이스 에러 @22℃는 0.385%로 확인됐다. 또한 게인이 8x, 샘플 레이트가 26.8SPS인 경우에는 잡음이 1.08μVrms, ENOB은 20bit, 디바이스 에러 @22℃는 0.018%로 조사됐다.
한편 LMP90100의 특성상, 여기에 사용되는 소프트웨어는 다채널 입력 채널의 선택을 지원할 수 있어야 한다. 이를 위해 신규 센서를 추가한다면, 선택 가능한 센서 수를 최대화한다는 목표를 설정했을 때 자동적으로 입력 핀을 선택할 수 있어야 한다.
이는 싱글 엔드 구성을 통해 실현 가능하다. 이를 지원하려면 일반적으로 센서 AFE에 부착된 모든 센서는 신호 경로 구성이 각기 달라야 한다. 그래야 각각의 입력 채널이 독립적으로 구성될 수 있기 때문에, 게인, 샘플 레이트, 감지기능은 각각의 센서에 대해 타 센서와 독립적으로 설정될 수 있다.
다음에는 센서 AFE에 압력 센서 채널을 추가해야 한다. 이 경우에는 RTD에서와 같이 디폴트 구성(default configuration)부터 시작하는 것이 바람직하다.
이때 게인이 1x, 샘플 레이트는 214.65SPS인 경우, 잡음은 8.25μVrms, ENOB는 20bit, 디바이스 에러 @1.45SPI는 0.797%인 것으로 나타났다.
또한 게인이 8x, 샘플 레이트는 214.65SPS인 경우, 잡음은 2.96μVrms, ENOB는 18.5bit, 디바이스 에러 @1.45PSI는 0.0599%인 것으로 확인됐다.
이 툴은 디바이스 구성 프로세스의 이해를 돕기 위한 안내 바를 제공하기도 한다. 특히 이때 관찰되는 퍼포먼스 데이터는 현재 선택된 채널에 관한 결과를 보여주는 것으로, 선택된 센서 리스트[SELECT/REMOVE(선택/삭제) 센서 버튼 밑에 위치]에서 또 다른 센서를 클릭하면 다른 채널을 선택할 수 있다.
이를 통해 레지스터가 구성되면, SAVE(저장) 버튼을 클릭해 레지스터 맵을 XML 파일로 저장할 수 있다. 이를 위해 필요한 오프라인 툴은 다운로드 받을 수 있고, 평가 보드/SPIO-4 USB 인터페이스 보드는 CHECK-OUT(체크아웃) 버튼을 눌렀을 때 나오는 화면에서 구입할 수 있다.
이 중 온라인 설계 툴의 여러 기능과는 별도로, 앞서 언급한 오프라인 툴은 SPIO-4 인터페이스 보드를 통해 평가 보드와 커뮤니케이션 할 수 있고, 센서 AFE 디바이스를 연구실에서 평가하는 데에도 사용할 수 있다. 또한 온라인 설계 툴로 저장된 구성 레지스터 맵은 오프라인 툴로 업로드되어 디바이스를 사전 구성할 수 있으므로 이를 통해 시간과 노력을 절감할 수 있다.

칩 평가

USB를 이용해 SPIO-4 디지털 컨트롤러 보드(SPIO-4 보드)를 PC에 연결하고, 오프라인 센서 AFE 소프트웨어를 작동시켜, 데이터 캡처 및 정적 평가(static evaluation)를 실행할 수 있다.
이로써 형성된 데이터 캡처 보드는 LMP90100와 커뮤니케이션하기 위한 SPI 신호를 생성한다. 여기에 사용되는 보드 드라이버와 드라이버를 다운로드하는 데 필요한 사용 설명서는 소프트웨어 폴더에 포함되어 있다.
이를 통해 구성 파일이 오프라인 툴에 업로드되고 나면, 원하는 구성 설정을 보호하기 위해 모든 레지스터를 기록해야 한다. 다음 부분에서는 실제 실시간 데이터 캡처를 실행하는 과정을 살펴보기로 하자.
우선 그림 5에 관찰할 수 있는 것처럼 측정 탭의 RUN(실행) 버튼을 클릭하면 데이터가 캡처된다.



여기에 사용되는 툴은 두 가지 모드로 데이터 캡처를 지원한다. 즉, 싱글 샷 모드(single-shot-mode)는 캡처하고자 하는 데이터의 양을 특정할 수 있으며, 지속적인 실행 모드(run continuously mode)는 오실로스코프와 같은 역할을 해 프로세스가 수동으로 멈출 때까지 계속해서 데이터를 캡처할 수 있다.
이때 작성된 출력 포맷은 카운트(count)나 센서의 출력 전압, 측정되고 있는 데이터 단위를 통해 확인할 수 있으며 이와 함께 상태 플래그(status flags)도 디스플레이 된다. 그 다음에는 최종적으로 데이터가 추후 분석을 위해 csv 파일로 전송된다.
더욱 상세한 정보는 소프트웨어 폴더에 있는 소프트웨어 사용자 가이드에서 확인 가능하다.

결론

TI의 센서 AFE 플랫폼은 특정 센서 타입별로 최적화된 제품을 제공해, 긴 하드웨어 개발 주기를 대체할 수 있는 대안을 제공하며 각각의 센서 신호 경로를 위한 특별한 레지스터 셋팅도 설정할 수 있다. 여기에 필요한 구성 트레이드오프는 성능, 전력, 백그라운드 캘리브레이션을 기반으로 결정할 수 있다.
이를 통한 센서 AFE IC, WEBE-NCH^® 센서 AFE 디자이너 소프트웨어, 하드웨어 개발 플랫폼의 결합은 빠르고 간편한 센서 경로 설계가 가능한 디자인 환경을 구축한다. 그 결과 전체적인 설계 시간이 획기적으로 줄어들고, 이를 통해 고객은 검증되고 신뢰성 높은 솔루션을 시장에 빠르게 출시할 수 있는 것으로 입증됐다.