مع الأنظمة الإلكترونية الحديثة التي تدمج بشكل متزايد أجهزة الاستشعار وتعمل في بيئات ديناميكية بشكل متزايد، أصبح من الصعب على نحو متزايد تجاهل القيود المفروضة على الدوائر التناظرية الثابتة. قد تهيمن المعالجة الرقمية على بنيات الأنظمة الحالية، لكن العالم المادي لا يزال تناظريًا في طبيعته. نقطة البداية لكل مستشعر ومشغل وواجهة هي الإشارة الكهربائية الحقيقية. قبل أي معالجة فعالة لهذه الإشارات، يجب إجراء التضخيم والترشيح والتكييف أولاً.
مع تحول الاستجابة المنخفضة لزمن الاستجابة إلى مؤشر رئيسي وتطور متطلبات التطبيق، تم تسليط الضوء مرة أخرى على أهمية الواجهات الأمامية للمحاكاة. تعتمد المراقبة الصناعية والأدوات الطبية وإلكترونيات السيارات ومنصات إنترنت الأشياء على تكييف الإشارات الدقيق والمتكيف. غالبًا ما تترجم التحسينات الصغيرة في جودة الإشارة التناظرية مباشرةً إلى دقة أعلى للنظام وموثوقيته وكفاءته.
تقليديًا، يتم إنشاء وصلة الإشارة التناظرية من عناصر وظيفية ثابتة مثل مكبرات الصوت التشغيلية والمرشحات وأجهزة المقارنة. يوفر هذا الأسلوب نتائج ممتازة عندما تكون المتطلبات مستقرة وواضحة. ومع ذلك، فهو جامد بطبيعته. غالبًا ما تتطلب التغييرات في خصائص المستشعر أو ظروف التشغيل أو أهداف الأداء مراجعات تخطيطية وإعادة تصميم تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور ودورات تحقق إضافية.
توفر المصفوفة التناظرية القابلة للبرمجة الميدانية (FPAA) طريقة مختلفة تمامًا. يمكن للمهندسين تكوين الوظائف التناظرية عبر البرامج دون استخدام رابط إشارة تناظرية ثابت في الأجهزة. أجهزة OKIKA OTC2310K04-PIKA، Chameleon ™ يوضح مرشح الترددات المنخفضة Butterworth ذو 8 ترتيب وApex Quad4 (الشكل 1) كيفية تطبيق البنية التناظرية القابلة للبرمجة على نظام إشارة مختلط حقيقي. تناقش هذه الورقة كيفية عمل FPAA، وموقعها في بنيات الأنظمة الحديثة، والمفاضلات التي يجب على مهندسي المفاضلة أخذها في الاعتبار عند تقييم حلول المحاكاة القابلة للبرمجة.
لوحة تطوير Okika PiKa Quad FlexFPAA (اضغط للتكبير)
الشكل 1: مجلس تطوير Okika PiKa Quad FlexFPAA. مصدر الصورة: أجهزة Okika)
التحديات المنظمة لتصميم المحاكاة
تواجه التصميمات التناظرية تحديات مختلفة نادرًا ما يواجهها المهندسون الرقميون. تعتبر خصائص الدائرة حساسة للغاية لتفاوتات المكونات، وانحراف درجة الحرارة، واقتران الضوضاء وتأثيرات التخطيط. يمكن أن يكون للتغييرات الصغيرة تأثير كبير على الكسب أو الانحراف أو عرض النطاق الترددي أو الاستقرار.
غالبًا ما تستغرق عملية التحقق والضبط وقتًا طويلاً ومتكررة. يجب على المصمم تقييم الأداء ضمن حدود الطاقة ودرجة الحرارة، والنظر في التفاوتات في أسوأ الحالات، والتحقق من الامتثال لمتطلبات مستوى النظام. لتحقيق أداء قوي، غالبًا ما يتم تعديل لوحات الدوائر عدة مرات.
التكاليف التكرارية هي مشكلة طويلة الأمد. عادةً ما يعني ضبط قيمة المقاومة أو طوبولوجيا المرشح إعادة تصميم الأجهزة. تضيف كل مراجعة التكلفة والجدول الزمني والمخاطر.
التغييرات الأخيرة مدمرة بشكل خاص. يمكن لأجهزة الاستشعار الجديدة أو متطلبات الامتثال المحدثة أو مصادر الضوضاء غير المتوقعة أن تفرض عمليات إعادة تصميم كبيرة. وعلى عكس الأنظمة الرقمية، لا يمكن حل هذه المشكلات عن طريق ترقيات البرامج الثابتة. لقد كان الافتقار إلى المرونة منذ فترة طويلة عائقًا هيكليًا في التركيز على أنظمة المحاكاة.
مقدمة إلى المصفوفة التناظرية القابلة للبرمجة ميدانيًا
FPGA عبارة عن دائرة متكاملة ذات وظائف تناظرية قابلة للتكوين. لا يعتمد FPAA على دائرة داخلية ثابتة، بل على وحدة بناء تناظرية مدمجة قابلة للبرمجة. يمكن ربط هذه الكتل الأساسية معًا لتكوين مسارات إشارة مخصصة.
تتضمن وظائف FPAA النموذجية التضخيم والتصفية والتكامل والمقارنة. يمكن للجهاز نفسه إجراء تكوين مختلف في مراحل مختلفة من تطوير المنتج، أو حتى إعادة تحديد غرضه بالكامل لتحقيق اتجاه وظيفي جديد. تعد إمكانية إعادة التشكيل هذه سمة حاسمة لـ FPAA.
غالبًا ما تتم مقارنة FPAAs بـ FPGAs، على الرغم من أن أوجه التشابه تكمن في المفهوم وليس في التكنولوجيا. كلاهما يعتمد على كتل وظيفية قابلة لإعادة الاستخدام واتصالات قابلة للبرمجة. والفرق الرئيسي بين الاثنين هو أن FPAA يعمل مباشرة في المجال التناظري المستمر للوقت، ويعالج إشارات العالم الحقيقي دون تحويلها إلى شكل رقمي.
في أنظمة الإشارات الهجينة، غالبًا ما يتم استخدام FPAA كواجهة أمامية تناظرية تكيفية. توجد هذه الأجهزة بين المستشعر وADC، أو بين DAC والمشغل، لتحسين جودة الإشارة قبل بدء المعالجة الرقمية.
نماذج البنية والتكوين الأساسية
تم بناء FPAA حول كتلة تناظرية قابلة للتكوين (CAB) تشكل قلب الجهاز. تُستخدم هذه الوحدات عادةً لتنفيذ وظائف مثل مكبرات الصوت والمرشحات والمتكاملات والمقارنات. كل وحدة قابلة للبرمجة بحيث يمكن للمصمم تعيين معلمات مثل الكسب وعرض النطاق الترددي وشروط الإزاحة ومستويات العتبة لتحديد خصائص الدائرة المطلوبة.
يتم تحقيق التوصيل البيني لهذه الوحدات عبر الوصلات البينية القابلة للبرمجة (هياكل التوجيه). يحدد هذا الهيكل كيفية تدفق الإشارة عبر الجهاز ويسمح بإعادة ترتيب أو تمديد سلسلة الإشارة دون إعادة تصميم الأجهزة الخارجية.
يتم تحديد السلوك المحدد للجهاز من خلال معلومات التكوين ويتم تخزينه عادةً في شكل قائمة تبديل أو ذاكرة تكوين. يتم تحميل معلومات التكوين هذه عند تشغيل الطاقة ويتم إنشاء مسار إشارة تناظرية. تدعم العديد من منصات FPAA أيضًا إعادة التكوين السريع، مما يسمح بالتحديثات أثناء التطوير أو في بعض الحالات أثناء التشغيل.
تعمل واجهة الإدخال/الإخراج التناظرية على توصيل FPAA بالمستشعر وADC وDAC والمكونات الخارجية الأخرى. تم تصميم هذه الواجهات خصيصًا لضمان مستويات إشارة يمكن التنبؤ بها وتشغيل مستقر وتكامل سلس مع أنظمة الإشارات المختلطة.
عملية التصميم ومزايا التطوير
يغير تطوير FPAA طريقة تصميم أنظمة المحاكاة. بدلاً من استخدام أجهزة منفصلة لإنشاء دوائر وظيفية ثابتة، يستخدم المهندسون أدوات تكوين بديهية قائمة على التخطيط لتحديد سلوك الإشارة.
يقوم المصمم بإنشاء رابط إشارة كامل عن طريق اختيار كتلة تناظرية قابلة للتكوين (CAB) وربط الوحدات عبر بنية الأسلاك القابلة للبرمجة (الشكل 2). يمكن تعيين المعلمات الرئيسية مثل الكسب وخصائص التصفية والعتبة مباشرة في البرنامج. تعمل هذه الإمكانية على تحويل تصميم المحاكاة من الحسابات اليدوية المرهقة إلى أساليب أسرع وأكثر مرونة وأكثر قابلية للتكوين.
يمكن إنشاء رابط الإشارة الكامل عن طريق تحديد الكتلة التناظرية القابلة للتكوين (CAB) (انقر فوق ZOOM IN)
الشكل 2: يتم إنشاء سلاسل الإشارة الكاملة عن طريق تحديد الكتل التناظرية القابلة للتكوين (CABs) وتوصيل الوحدات عبر بنية كابلات قابلة للبرمجة (المصدر: أجهزة Okika)
وبما أنه يمكن تحديث التصميم في غضون دقائق، فإن دورة التكرار تكون أسرع بشكل ملحوظ. يمكن للمهندسين استكشاف البدائل بسرعة، وتقييم المقايضات، وتحسين الأداء باستمرار. وبهذه السرعة التكرارية، يمكن تحقيق التحسين الحقيقي، وهو أمر غير ممكن غالبًا مع الأجهزة التناظرية التقليدية لأن كل تغيير يتطلب إعادة التصميم وإعادة التكوين وإعادة الاختبار.
تقوم معظم منصات FPAA بتحميل التكوين عند تشغيلها، بينما تتم إعادة تكوين بعضها عند دعم عمليات التشغيل المنظمة، مثل التبديل بين أوضاع التشغيل. وفي كلتا الحالتين، تؤدي القدرة على تعديل وظائف المحاكاة دون تغيير الأجهزة إلى تقليل وقت التطوير وتقليل التكاليف وإطالة دورة حياة المنتج.
في الواقع، يقدم FPAA نموذجًا محددًا برمجيًا لتصميم المحاكاة، مما يرفع مرونة الواجهة الأمامية وكفاءتها وأدائها للنظام الإلكتروني إلى مستوى جديد.
التطبيقات المشتركة
تكييف إشارة الاستشعار
واجهة المستشعر هي حالة الاستخدام الأساسية لـ FPAA. تولد العديد من أجهزة الاستشعار إشارات ذات مستوى منخفض أو ضوضاء أو انحراف وتتطلب التضخيم والتصفية والمعايرة قبل الرقمنة.
يمكن لـ FPAA دمج هذه الوظائف في جهاز واحد لتقليل عدد المكونات وتبسيط تغييرات التصميم. يمكن إعادة تشكيل سلاسل الإشارة بدلاً من إعادة تصميمها عندما تتغير خصائص المستشعر أو تحتاج إلى التطوير.
وهذا مهم بشكل خاص للأنظمة التي تدعم أنواع أجهزة الاستشعار المتعددة أو المتطلبات المتغيرة.
تعتبر مراقبة تخطيط كهربية القلب أو تخطيط كهربية القلب مثالًا جيدًا. عادةً ما تكون الإشارات الكهربائية المُقاسة من جسم الإنسان بضعة ميلي فولت فقط، ويمكن إزعاجها بسهولة عن طريق حركات الحركة، وتداخل خطوط الكهرباء، والانحراف الأساسي. لتحقيق قياس موثوق به، يلزم التضخيم الدقيق والتصفية وقمع ضوضاء الوضع الشائع قبل دخول الإشارات إلى ADC.