As tecnologias inteligentes modernas dependem de dados. Seja para conectar as operações de uma fábrica inteligente ou para possibilitar que os veículos autônomos naveguem sozinhos, essas inovações contam com o feedback de um conjunto amplo de sensores. As informações que eles captam criam uma imagem precisa do mundo ao redor. A partir desse modelo gerado pelos dados, as máquinas podem interagir com o ambiente real — seja para evitar obstáculos, reconfigurar suas funções para lidar com novas demandas, monitorar seu próprio estado ou solicitar manutenção. Grande parte dessas informações captadas pelos sensores está no formato de sinais analógicos de baixa tensão, que precisam ser convertidos antes que possam ser processados digitalmente. O front-end analógico (AFE, do inglês Analogue Front-End) é a solução que faz a ponte entre os sensores analógicos e os processadores digitais mais avançados.
As Limitações dos Microcontroladores
A unidade microcontroladora (MCU) é um componente fundamental em equipamentos eletrônicos modernos. Ela reúne diversos elementos, como o processador, recursos dedicados de memória, interfaces de comunicação e uma série de periféricos. Em muitos casos, esses periféricos incluem um conversor analógico-digital (ADC), essencial para qualquer MCU que precise processar os sinais recebidos de sensores analógicos.
Embora a MCU possa captar esses sinais, esse não é o seu papel principal. O ponto central da limitação da MCU no processamento de sinais analógicos está no fato de que ela é um dispositivo digital. O ADC básico embutido em muitas MCUs costuma ser suficiente para tarefas simples de sensoriamento, em que a precisão não é tão crítica. Entretanto, para aplicações que dependem de alta exatidão, um ADC dedicado — com resolução de 16 bits ou 24 bits — oferece resultados muito superiores.
A funcionalidade digital da MCU também representa uma limitação quando se trata de ruído digital. Sinais analógicos são extremamente sensíveis a interferências, o que exige isolamento e condicionamento adequados. Microcontroladores digitais tendem a apresentar uma relação sinal-ruído muito inferior sem essas etapas dedicadas, especialmente ao processar sinais de baixa tensão. Em qualquer aplicação que dependa da detecção precisa de pequenas variações, o desempenho oferecido por MCUs comuns será insuficiente.
Além disso, essas funções básicas do ADC embutido carecem da funcionalidade especializada que componentes analógicos dedicados oferecem. Para cobrir a ampla faixa dinâmica requerida por diferentes tipos de sensores, frequentemente é necessário adicionar circuitos externos, o que aumenta a complexidade do projeto da placa de circuito impresso e o número total de componentes.
Assim, quando chega o momento de lidar com um grande número de entradas analógicas provenientes de uma variedade de sensores, os MCUs enfrentam desafios.
A Solução do Front-End Analógico
A solução para esse desafio é utilizar um componente especializado em receber grandes volumes de sinais analógicos e prepará-los para o processamento por dispositivos digitais. O front-end analógico (AFE, do inglês Analogue Front-End) é o dispositivo que fica entre os sensores e o microcontrolador. Sua função principal é capturar os sinais brutos gerados pelos sensores e prepará-los para conversão. Os AFEs mais simples executam o que chamamos de condicionamento de sinal — eles amplificam o sinal recebido, elevando-o a um nível adequado para que a conversão para o domínio digital possa acontecer de forma confiável, além de filtrar ruídos indesejados que atrapalhariam a leitura.
No entanto, os AFEs mais modernos vão além e já incorporam conversores analógico-digitais (ADCs) de alta resolução, geralmente com 16 ou 24 bits. Dessa forma, a saída fornecida pelo AFE já é um sinal digital limpo e pronto para processamento. Isso elimina a necessidade do MCU realizar a própria conversão analógica-digital, simplifica o hardware e o software do sistema, e aumenta a velocidade com que os dados são tratados, resultando em tempos de resposta menores e um desempenho global melhor.
O uso de um AFE também oferece benefícios logísticos e de custo. Ao substituir circuitos potencialmente complexos por um AFE, o design da placa de circuito impresso (PCB) é simplificado, reduzindo o tempo de lançamento no mercado. Além disso, isso diminui o número de componentes na lista de materiais (BOM) e, como o microcontrolador não precisa mais integrar um conversor analógico-digital, o projetista pode optar por um componente de menor custo.
Apresentando a Solução
A NXP é uma empresa que entende as limitações dos processadores digitais ao lidar com grandes volumes de sinais analógicos. Embora produza uma ampla gama de MCUs adequadas para aplicações exigentes nos setores automotivo e industrial, os AFEs da NXP trazem novos níveis de capacidade para o cliente.
A família N-AFE da NXP, composta por dispositivos front-end analógicos altamente configuráveis (Figura 1), é ideal para as mais recentes aplicações de automação industrial que dependem de sensores. Os dispositivos N-AFE estão disponíveis em opções de 16 ou 24 bits, alta velocidade ou baixo consumo, com quatro ou oito entradas, além de versões calibradas de fábrica ou não calibradas. Apesar de sua capacidade de receber múltiplos sinais, cada entrada pode ser configurada para tarefas específicas e diferenciada conforme os requisitos dos diferentes tipos de sensores, seja para tensão, corrente, temperatura ou pressão.
A placa shield Arduino NAFE13388-UIM de 8 canais é projetada para avaliar o NAFExx388. Esta shield compatível com Arduino apresenta um design compacto de hardware e maior configurabilidade de software com pacotes universais de drivers open-CMSIS. Uma avaliação mais abrangente é possível com as placas de avaliação NAFEx88-EVB, que não estão limitadas ao formato Arduino.
Esta shield NAFE13388-UIM também é compatível com a placa NXP FRDM-MCXN947, parte da série de placas FRDM MCX N da NXP, que são de baixo custo, compactas e escaláveis para prototipagem rápida utilizando o ambiente integrado de desenvolvimento (IDE) NXP MCUXpresso. Essas placas contam com microcontroladores da série MCX N, que atendem a uma ampla gama de aplicações e oferecem altos níveis de integração, aceleradores embutidos, periféricos inteligentes e segurança avançada.
Visão Geral do N-AFE
A precisão e exatidão da família N-AFE tornam esses dispositivos indispensáveis para clientes da automação industrial. A maior precisão permite um controle de qualidade aprimorado na manufatura, aumentando o rendimento e reduzindo o desperdício. Eles também desempenham um papel importante na manutenção da própria fábrica. A detecção precisa dentro das máquinas pode fornecer alertas antecipados sobre possíveis falhas, permitindo que os operadores realizem a manutenção antes que a linha de produção pare, reduzindo o tempo de inatividade causado por falhas inesperadas.
Os dispositivos N-AFE reduzem a complexidade do design da placa de circuito impresso (PCB) e oferecem maior precisão. Essas vantagens criam um ambiente de manufatura mais produtivo e com menor número de paradas não planejadas. A série N-AFE da NXP oferece soluções AFE configuráveis e de alta precisão que simplificam o design de placas, melhoram a precisão dos sinais e contribuem para a criação da fábrica do futuro.
Artigo escrito por David Pike e publicado no blog da Mouser Electronics: The Role of the Analogue Front End in Smart Manufacturing
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
