JP5505742B2 - 計測用アナログフロントエンド回路 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、記録計や温度調節計等のフロントエンドに用いて好適な、計測用アナログフロントエンド回路に関する。
アナログフロントエンド回路として、例えば、マキシム社製のMAX1464が知られている。MAX1464は、低電力、低ノイズ、マルチチャンネルのセンサ信号プロセッサであり、圧力検出/補償、RTD(Resistance Temperature Detector )/熱電対線形化、重量検出/分類、限界表示用のリモートプロセスモニタ等、工業用、自動車用、およびプロセス制御アプリケーションに多用されている。
MAX1464は、センサからの出力をMUX(Multiplex)で選択し、後段に接続されるPGA(Programmable Gain Amplifier)でゲイン調整を行い、ADC(Analog-Digital Convertor)でセンサ出力をデジタル値に変換する。そして、このデジタル値に変換されたデータを内蔵のCPU(Central Processing Unit)が演算し、結果をシリアルなデジタル信号としてシステム側に出力し、DAC(Digital-Analog Convertor)経由でアナログ信号として出力し、あるいはPWM(Pulse Width Modulation)信号として出力する。
「MAX1464低電力、低ノイズ、マルチチャンネル信号プロセッサ」<インターネットURL>http://japan.maxim−ic.com/datasheet/index.mvp/id/4590(2011年12月26日閲覧)
ところで、温度調節計のアナログフロントエンドとして要求される仕様の中には、過大入力保護、AD変換、絶縁、演算がある。しかしながら、上記した非特許文献1に開示されたセンサ信号プロセッサは、AD変換と演算機能は含むが、過大入力保護機能と絶縁機能については外付け回路で実現する必要がある。特に、絶縁機能については、電源の絶縁、および通信の絶縁が必要である。
通信の絶縁では、SCLK(クロック),DI(データ入力),DO(データ出力),CS(チップセレクト)の4つの信号を絶縁する必要がある。このため、フォトカプラのような絶縁用素子が追加され、その結果、コストおよび基板への実装面積の観点から不利になる。例えば、(株)東芝製のフォトカプラTLP283を4個使用した場合、7mm×2.6mm×4の実装面積を占有してしまう。また、アナログ出力する場合、DACにも絶縁素子として高精度な絶縁アンプが必要になり、コスト、実装面積の増大につながる。
さらに、CPUやメモリ等、構成部品の全てを駆動するための絶縁電源が別途必要になり、そのため、絶縁電源での損失により消費電力が増加する。したがって、小型、低消費電力、低コストを目指す計測用フロントエンドの実現が困難であった。
本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、小型、低消費電力、低コストを実現する、計測用アナログフロントエンド回路を提供することを目的とする。
上記した課題を解決するために本発明は、センサと制御装置とのインタフェースとして使用される計測用アナログフロントエンド回路であって、前記センサとのインタフェースを担う少なくともAD変換回路を含む絶縁部と、前記制御装置とのインタフェースを担う少なくとも制御回路を含む非絶縁部と、前記絶縁部と前記非絶縁部との間に設けられる絶縁通信用トランスを介して半二重絶縁通信を行う絶縁通信部とを備え、前記絶縁通信用トランスは、前記絶縁部と、前記非絶縁部が実装される基板の配線パターンで形成され、前記制御回路は、前記絶縁部に対して前記絶縁通信部を介して測定に関する設定を行った後、前記AD変換回路に対してAD変換実行命令を送信し、前記絶縁部から前記絶縁通信部を介して前記AD変換回路によるAD変換結果を取得して前記制御装置に転送することを特徴とする。
本発明によれば、非絶縁部に含まれる制御回路は、AD変換回路を含む絶縁部に対して半二重絶縁通信を行う絶縁通信部を介して測定に関する設定を行った後、AD変換実行命令を送信し、絶縁部から絶縁通信部を介してAD変換回路によるAD変換結果を取得して制御装置に転送する。このため、半二重絶縁通信により双方向のデータ通信を1系統で実現でき、したがって、フォトカプラ等の絶縁用素子の追加を不要とするため、コストおよび実装面積の点で有利になる。また、制御回路を非絶縁部に配置することで、絶縁部に配置する構成と比較して、絶縁部に含まれるAD変換回路と非絶縁部に含まれる制御回路との間での絶縁通信により伝送するデータ量の削減が可能になる。また、絶縁通信用トランスを基板上の配線パターンで実現しているため、絶縁通信に従来必要であったフォトカプラ等の部品を不要とし、このため、コストおよび実装面積の削減につながる。
本発明において、前記非絶縁部は、前記絶縁部に対し、前記絶縁通信部を介して前記AD変換実行命令と次のAD変換実行命令との間にNOP命令を連続して等間隔に挟んで送信し、前記絶縁部は、前記AD変換実行命令とNOP命令に重畳されたクロック成分を抽出することにより内部で使用するクロックを再生し、前記非絶縁部に対し、前記絶縁通信部を介して前記AD変換結果およびステータス応答を行うことを特徴とする。本発明によれば、非絶縁部から送信されるAD変換実行命令やNOP命令にクロック成分を重畳し、絶縁部でクロック再生を行うことで、半二重通信1系統のみで絶縁部と非絶縁部間に必要な信号とクロックの伝送を行うことが可能になる。
本発明において、前記絶縁部は、1以上のセンサ出力の入力切替えを行う入力切替回路と、非絶縁部により設定される前記測定に関する設定内容が格納される設定モニタレジスタと、前記設定内容に含まれるレンジで選択された前記センサの出力を増幅して前記AD変換回路に出力する増幅器と、前記非絶縁部との間で絶縁通信用トランスを介して前記半二重絶縁通信を行う通信回路と、前記制御装置から、前記非絶縁部および絶縁電源用トランスを介して供給される電力を必要な電圧に変換するDC−DCコンバータと、を有することを特徴とする。本発明によれば、絶縁部に含まれるAD変換回路と非絶縁部に含まれる制御回路との間を、半二重絶縁通信を行う絶縁通信部で絶縁することができる。また、絶縁部には、AD変換回路に必要な最小限の回路のみ配置することで、絶縁電源を通じて給電する回路の消費電力を削減し、絶縁電源の損失分を抑えることができため低消費電力化にもつながる。
本発明において、前記絶縁部は、前記センサと前記入力切替回路との間に、前記センサの出力による過大入力から内部の回路を保護する過大入力保護回路、を更に有することを特徴とする。本発明によれば、計測用アナログフロントエンド回路に過大入力から内部の構成部品を保護する過大入力保護回路を内蔵させることにより、絶縁機能の他に過大入力保護機能も実現できる。
本発明において、前記非絶縁部は、内部バスに接続される、前記制御回路、および前記絶縁通信部を介して半二重の絶縁通信を行う通信回路を含む周辺回路と、前記制御装置から供給される電力を前記絶縁部に供給する絶縁電源用トランスを駆動するトランスドライバと、を有することを特徴とする。本発明によれば、絶縁部に含まれるAD変換回路と非絶縁部に含まれる制御回路との間を半二重絶縁通信を行う絶縁通信部で絶縁することができ、また、絶縁電源を通じて給電する回路の消費電力を削減し、絶縁電源の損失分を抑えることができため低消費電力化がはかれる。

本発明において、前記絶縁電源用トランスは圧電トランスであることを特徴とする。本発明によれば、絶縁電源用トランスに圧電トランスを用いて絶縁電源を実現することで、小型化、高効率、低電磁ノイズの計測用アナログフロントエンド回路を提供することができる。
本発明において、前記絶縁部、前記非絶縁部、前記絶縁通信部、のそれぞれは、同一基板上に実装されることを特徴とする。本発明によれば、計測に必要な機能を1パッケージで実現できるため、製品の開発工数を削減することができ、小型化と低コスト化に寄与することができる。
本発明において、前記絶縁部、前記非絶縁部、前記絶縁通信部、前記絶縁電源用トランス、のそれぞれは、同一基板上に実装されることを特徴とする。本発明によれば、計測に必要な機能を1パッケージで実現できるため、製品の開発工数を削減することができ、小型化と低コスト化に寄与することができる。
本発明によれば、小型、低消費電力、低コストを実現する、計測用アナログフロントエンド回路を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る計測用アナログフロントエンド回路の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る計測用アナログフロントエンド回路の絶縁通信部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る計測用アナログフロントエンド回路に使用される絶縁通信用トランスの実装構造を示す図である。 本発明の実施の形態に係る計測用アナログフロントエンド回路で使用される絶縁通信プロトコルを説明するために引用した図である。
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための実施の形態(以下、単に本実施形態という)について詳細に説明する。
(実施形態の構成)
図1は、本実施形態に係る計測用アナログフロントエンド回路30の構成を示すブロック図である。図1によれば、本実施形態に係る計測用アナログフロントエンド回路30は、センサ10と、システム側のメインコントローラ20(制御装置)とのインタフェースとしての役割を持ち、センサ10とのインタフェースを担う絶縁部31と、メインコントローラ20とのインタフェースを担う非絶縁部32と、からなる。この絶縁部31と非絶縁部32は、半二重の絶縁通信を行う絶縁通信部33により接続され、これら絶縁部31、非絶縁部32、絶縁通信部33、および後述する絶縁電源用トランスは、本実施形態に係る計測用アナログフロントエンド回路30が実装される唯一の基板に実装される。
非絶縁部32は、絶縁部31に対し、絶縁通信部33を介してAD変換実行命令と次のAD変換実行命令との間にNOP(No Operation)命令を連続して等間隔に挟んで送信する。これを受けて絶縁部31は、AD変換実行命令とNOP命令に重畳されたクロック成分を抽出することにより内部で使用するクロックを再生し、非絶縁部32に対し、絶縁通信部33を介して変換結果およびステータス応答を行う。
絶縁部31は、入力切替回路311と、増幅器312と、AD変換回路313と、設定モニタレジスタ314と、通信回路315と、クロック再生回路316と、DC−DCコンバータ317を含み、構成される。
入力切替回路311は、過大入力保護回路35を介して入力される1以上のセンサ出力の入力切替えを行ない増幅器312に出力する。増幅器312は、設定モニタレジスタ314に予め設定されたレンジで、入力切替え(選択)されたセンサ出力を増幅してAD変換回路313に出力する。AD変換回路313は、センサ出力のアナログ信号をデジタル信号に変換するもので、ここでは、逐次変換やフラッシュ変換型に比べてラインノイズの影響が少なく、高い精度で測定できるΔΣ型を使用するものとする。なお、設定モニタレジスタ314には、非絶縁部32(後述する制御回路)により設定される、上記したレンジを含む測定に関する設定内容が格納される。
通信回路315は、非絶縁部32との間で絶縁通信用トランス330を介して半二重の絶縁通信を行う通信インタフェースである。クロック再生回路316は、非絶縁部32から送信され、通信回路315により受信されるAD変換実行命令とNOP命令に重畳されたクロック成分を抽出して内部で使用するクロックを再生する。DC−DCコンバータ317は、メインコントローラ20から、非絶縁部32および絶縁電源用トランス34を介して供給される電力を必要な電圧に変換して内部の構成部品を駆動する。
なお、絶縁部31は、センサ10とは過大入力保護回路35を介して接続されてもよい。過大入力保護回路35は、センサ10の出力による過大入力から内部の回路を保護する保護スイッチ(SW351)と、高電圧入力時の減衰器(ATT352)と、スイッチ353と、を含む。
非絶縁部32は、絶縁部31に対して絶縁通信部33を介して測定に関する設定を行った後、AD変換回路313に対してAD変換命令を送信し、絶縁部31から絶縁通信部33を介してAD変換回路313による変換結果を取得してメインコントローラ20に転送する。このため、非絶縁部32は、制御回路(CPU321)と、メモリ322と、通信部323と、通信回路324と、その他周辺回路325とが、アドレス、データ、コントロールのためのラインが複数本で構成される内部バス326を介して共通接続され、構成される。
制御回路321は、メモリ322に記録されたプログラムに基づき上記した命令を生成して絶縁部31のAD変換回路313に供給する。制御回路321は、上記した命令に発振器327により生成されるクロックを重畳し、通信回路324、および絶縁通信用トランス330経由で絶縁部31へ送信する。通信回路324は、絶縁部31との間で絶縁通信用トランス330を介して半二重の絶縁通信を行う通信インタフェースである。
非絶縁部32は、更に、発振器(OSC327)と、トランスドライバ328とを含む。発振器327は、基本クロックを生成し、トランスドライバ328は、メインコントローラ20から供給される電力を絶縁部31に供給する後述の絶縁電源用トランス34を駆動するために使用される。
図2に、絶縁通信部33の構成が示されている。ここでは、説明の便宜上、絶縁部31に含まれる通信回路315と、絶縁通信用トランス330と、非絶縁部32に含まれる通信回路324とを纏めて絶縁通信部33と呼ぶ。絶縁通信部33は、絶縁部31と非絶縁部32との間で半二重の絶縁通信を行う。
通信回路315、324は、ともにトランスミッタTrとレシーバRvとを備え、2値のASK(Amplitude Sift Keying)変調を採用して半二重通信を行う。つまり、非絶縁部32から絶縁部31への設定書き込み、測定開始コマンド(AD変換実行命令)の送信、および絶縁部31から非絶縁部32へのAD変換結果、ステータスの送信、設定読み出しのデータ伝送を1系統の通信路で実現する。絶縁通信用トランス330は基板上の配線を用いて形成し、例えば図3に示すように、絶縁部31と非絶縁部32が実装される基板(計測用アナログフロントエンド回路30)にプリントされた配線パターンを折り返して重ねることで実現される。
(実施形態の動作)
以下、本実施形態に係る計測用アナログフロントエンド回路30の動作について詳細に説明する。
センサ10によって測定され生成されるセンサ出力信号は入力切替回路311によって順次切り替えられて増幅器312に入力される。なお、センサ出力は必要に応じて過大入力保護回路35を介して入力される。増幅器312は、設定モニタレジスタ314に設定されたレンジに合わせてゲインを調整してAD変換回路313に出力する。AD変換回路313でAD変換された結果は、絶縁通信部33(通信回路315、絶縁通信用トランス330、通信回路324)を介して送信され、非絶縁部32の制御回路321による制御の下でメモリ322に格納される。
制御回路321は、AD変換の結果に対して温度測定用リニアライズ、校正等の演算を行い、物理量として通信部323を介してメインコントローラ20に転送する。センサ種類、レンジ、測定周期等、測定に関する設定は、メインコントローラ20からコマンドとして通信部323を介して入力される。制御回路321は、この測定に関する設定より絶縁部31の設定を決定し、絶縁通信部33を介して絶縁部31へ送信し、設定モニタレジスタ314へその設定値を格納する。絶縁部31に必要な設定は、例えば、減衰器352のON/OFF、スイッチ353のON/OFF、入力切替回路311によるセンサ選択、増幅器312のゲイン設定、AD変換回路313の測定時間等である。
測定開始のトリガは、メインコントローラ20からコマンドとして通信部323を介して入力される。制御回路321は、絶縁通信部33を通じて、AD変換実行命令を絶縁部31へ送信し、絶縁部31(AD変換回路313)は、このAD変換実行命令を受信してAD変換を実行する。絶縁部31は、AD変換が終了すれば絶縁通信部33を介してその変換結果を非絶縁部32へ送信する。非絶縁部32は、絶縁部31の回路異常等のエラーステータスや設定値の読み出し等も絶縁通信部33を介して行う。
本実施形態に係る計測用アナログフロントエンド回路30(非絶縁部32)への電力供給はシステム側のメインコントローラ20から行なわれる。絶縁部31への電力供給は、非絶縁部32がトランスドライバ328で絶縁電源用トランス34を駆動することにより供給される。DC―DCコンバータ317は、絶縁電源用トランス34の出力電圧を絶縁部31で必要な電圧に変換する電圧コンバータである。
図4に、本実施形態に係る計測用アナログフロントエンド回路30で使用する絶縁通信プロトコルの一例が示されている。図4に示すように、絶縁部31から非絶縁部32へAD変換実行命令とともに必要な設定情報を送信する。非絶縁部32から絶縁部31へは、AD変換結果とステータスを送信する。図4では、便宜上、伝送波形を2つに分割して示してあるが、実際は、同一の線路上を双方向で伝送する。
詳細には、非絶縁部32の制御回路321は、生成されるAD変換実行命令と次のAD変換実行命令の間にNOP命令を定間隔で挿入し、絶縁部31に対し絶縁通信部33経由で継続的に送信する。絶縁部31は、受信したAD変換実行命令に基づき、クロック再生回路316で重畳されたクロック成分を抽出し、絶縁部31で使用するクロックを生成する。ここでもとになるクロックは、非絶縁部32が内蔵する発振器327により生成される。
ここでは、AD変換実行命令、NOP命令、AD変換結果ともに、同じ内容を2度伝送する。その際にCRC(Cyclic Redundancy Check)によりエラーの有無を検出する。これにより、ノイズによる通信エラーを回避することができる。
(実施形態の効果)
以上説明のように本実施形態に係る計測用アナログフロントエンド回路30によれば、絶縁部31(AD変換回路313)と非絶縁部32(制御回路321)との間で絶縁することにより、絶縁通信で伝送するデータ量を削減することができる。このとき、絶縁通信は半二重通信双方向のデータ送信を1系統で実現する。また、クロックの伝送は、データ通信にクロックの成分を重畳して送信し、絶縁部31(クロック再生回路316)でクロックのリカバリを行う。このため、半二重による絶縁通信により、絶縁部31と非絶縁部32間に必要な信号の伝送を行うことが可能になる。ここで必要な信号は、設定、測定により得られるAD変換結果、ステータスのようなデータに加え、クロック、リセットも含まれる。
また、絶縁通信用トランス330は、本実施形態に係る計測用アナログフロントエンド回路30に実装される基板上の配線パターンで実現しているため、絶縁通信に従来必要であったフォトカプラ等の部品が不要になり、低コスト化が可能であり、また、基板実装面積の削減に貢献できる。更に、AD変換回路313と制御回路321との間で絶縁することにより、絶縁電源を通じて給電する回路の消費電力を削減し、絶縁電源の損失分を抑えることができ、低消費電力化が可能になる。なお、絶縁電源用トランス34に圧電トランスを用いて絶縁電源を実現することで、小型化、高効率、低電磁ノイズの計測用アナログフロントエンド回路30を提供できる。
また本実施形態に係る計測用アナログフロントエンド回路30によれば、計測に必要な測定、絶縁、演算等の機能を1パッケージ化しているため、製品開発工数を大きく削減できる。更に、制御回路321をCPUで構成することにより、プログラムによって動作を変更できるため、広範な製品に適用でき、開発工数削減、数量効果によるコストダウンを実現できる。また、一層の小型化、低消費電力のため、多点測定装置においても複数並列に並べることができ、従来のスキャナタイプに比べて測定の高速化等、性能向上がはかれる。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
10・・センサ、20・・メインコントローラ(制御装置)、30・・計測用アナログフロントエンド回路、31・・絶縁部、32・・非絶縁部、33・・絶縁通信部、34・・絶縁電源用トランス、35・・過大入力保護回路、311・・入力切替回路、312・・増幅器(Amp)、313・・AD変換回路(ΔΣADC)、314・・設定モニタレジスタ、315・・通信回路、316・・クロック再生回路、321・・CPU、322・・メモリ、323・・通信部、324・・通信回路、325・・その他周辺回路、326・・内部バス、327・・発振器(OSC)、328・・トランスドライバ、330・・絶縁通信用トランス、351・・保護スイッチ、352・・減衰器(ATT)

Claims (8)

  1. センサと制御装置とのインタフェースとして使用される計測用アナログフロントエンド回路であって、
    前記センサとのインタフェースを担う少なくともAD変換回路を含む絶縁部と、
    前記制御装置とのインタフェースを担う少なくとも制御回路を含む非絶縁部と、
    前記絶縁部と前記非絶縁部との間に設けられる絶縁通信用トランスを介して半二重絶縁通信を行う絶縁通信部とを備え、
    前記絶縁通信用トランスは、
    前記絶縁部と、前記非絶縁部が実装される基板の配線パターンで形成され、
    前記制御回路は、
    前記絶縁部に対して前記絶縁通信部を介して測定に関する設定を行った後、前記AD変換回路に対してAD変換実行命令を送信し、前記絶縁部から前記絶縁通信部を介して前記AD変換回路によるAD変換結果を取得して前記制御装置に転送することを特徴とする計測用アナログフロントエンド回路。
  2. 前記非絶縁部は、
    前記絶縁部に対し、前記絶縁通信部を介して前記AD変換実行命令と次のAD変換実行命令との間にNOP命令を連続して等間隔に挟んで送信し、
    前記絶縁部は、
    前記AD変換実行命令とNOP命令に重畳されたクロック成分を抽出することにより内部で使用するクロックを再生し、前記非絶縁部に対し、前記絶縁通信部を介して前記AD変換結果およびステータス応答を行うことを特徴とする請求項1記載の計測用アナログフロントエンド回路。
  3. 前記絶縁部は、
    1以上のセンサ出力の入力切替えを行う入力切替回路と、非絶縁部により設定される前記測定に関する設定内容が格納される設定モニタレジスタと、
    前記設定内容に含まれるレンジで選択された前記センサの出力を増幅して前記AD変換回路に出力する増幅器と、
    前記非絶縁部との間で絶縁通信用トランスを介して前記半二重の絶縁通信を行う通信回路と、
    前記制御装置から、前記非絶縁部および絶縁電源用トランスを介して供給される電力を必要な電圧に変換するDC−DCコンバータと、を有することを特徴とする請求項1または2記載の計測用アナログフロントエンド回路。
  4. 前記絶縁部は、
    前記センサと前記入力切替回路との間に、前記センサの出力による過大入力から内部の回路を保護する過大入力保護回路を更に有することを特徴とする請求項3記載の計測用アナログフロントエンド回路。
  5. 前記非絶縁部は、
    内部バスに接続される、前記制御回路、および前記絶縁通信部を介して半二重絶縁通信を行う通信回路を含む周辺回路と、
    前記制御装置から供給される電力を前記絶縁部に供給する絶縁電源用トランスを駆動するトランスドライバと、を有することを特徴とする請求項1記載の計測用アナログフロントエンド回路。
  6. 前記絶縁電源用トランスは圧電トランスであることを特徴とする請求項3からのいずれか1項記載の計測用アナログフロントエンド回路。
  7. 前記絶縁部、前記非絶縁部、前記絶縁通信部、のそれぞれは、同一基板上に実装されることを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載の計測用アナログフロントエンド回路。
  8. 前記絶縁部、前記非絶縁部、前記絶縁通信部、前記絶縁電源用トランス、のそれぞれは、同一基板上に実装されることを特徴とする請求項3からのいずれか1項記載の計測用アナログフロントエンド回路。
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