आधुनिक मिश्रित संकेत डिजाइनों में फील्ड-प्रोग्राम करने योग्य एनालॉग सरणियों को समझना

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों के साथ जो सेंसर को तेजी से एकीकृत करते हैं और तेजी से गतिशील वातावरण में काम करते हैं,फिक्स्ड एनालॉग सर्किट की सीमाओं को अनदेखा करना कठिन हो रहा हैडिजिटल प्रोसेसिंग आज के सिस्टम आर्किटेक्चर पर हावी हो सकती है, लेकिन भौतिक दुनिया अभी भी प्रकृति में एनालॉग है।actuator और इंटरफ़ेस वास्तविक विद्युत संकेत हैइन संकेतों के किसी भी प्रभावी प्रसंस्करण से पहले, प्रवर्धन, फ़िल्टरिंग और कंडीशनिंग पहले किया जाना चाहिए।

कम विलंबता प्रतिक्रिया एक प्रमुख संकेतक बन रही है और अनुप्रयोग आवश्यकताओं के विकास के साथ, सिमुलेशन फ्रंट एंड का महत्व फिर से उजागर किया गया है।ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स और इंटरनेट ऑफ थिंग्स प्लेटफॉर्म सटीक और अनुकूलन सिग्नल कंडीशनिंग पर निर्भर करते हैंएनालॉग सिग्नल की गुणवत्ता में छोटे सुधार अक्सर सीधे उच्च प्रणाली सटीकता, विश्वसनीयता और दक्षता में अनुवाद करते हैं।

परंपरागत रूप से, एनालॉग सिग्नल लिंक स्थिर कार्यात्मक तत्वों जैसे परिचालन एम्पलीफायर, फिल्टर और तुलनाकारों से निर्मित होता है।जब आवश्यकताएं स्थिर और स्पष्ट होती हैं तो यह दृष्टिकोण उत्कृष्ट परिणाम देता हैहालांकि, यह स्वाभाविक रूप से कठोर है। सेंसर विशेषताओं, परिचालन स्थितियों, या प्रदर्शन लक्ष्यों में परिवर्तन के लिए अक्सर योजनागत संशोधन, पीसीबी लेआउट रीडिजाइन,और अतिरिक्त सत्यापन चक्र.

फील्ड प्रोग्राम करने योग्य एनालॉग सरणी (एफपीएए) एक बहुत ही अलग दृष्टिकोण प्रदान करती है। इंजीनियर हार्डवेयर में एक निश्चित एनालॉग सिग्नल लिंक का उपयोग किए बिना सॉफ्टवेयर के माध्यम से एनालॉग कार्यों को कॉन्फ़िगर कर सकते हैं।ओकीका उपकरण OTC2310K04-PIKAचमेलियन TM 8-ऑर्डर बटरवर्थ लो-पास फ़िल्टर और एपेक्स क्वाड 4 (चित्र 1) यह दर्शाता है कि कैसे प्रोग्राम करने योग्य एनालॉग आर्किटेक्चर को वास्तविक मिश्रित सिग्नल प्रणाली पर लागू किया जाता है।इस पेपर में चर्चा की गई है कि एफपीएए कैसे काम करता है, आधुनिक सिस्टम आर्किटेक्चर में इसकी स्थिति, और विनिमय इंजीनियरों को प्रोग्राम करने योग्य सिमुलेशन समाधानों का मूल्यांकन करते समय विचार करना चाहिए।

Okika PiKa Quad FlexFPAA विकास बोर्ड (विस्तार करने के लिए क्लिक करें)
चित्र 1: ओकिका पीका क्वाड फ्लेक्स (FPAA) विकास बोर्ड। छवि स्रोतः ओकिका डिवाइस)

सिमुलेशन डिजाइन की संरचित चुनौतियां
एनालॉग डिजाइनों को विभिन्न चुनौतियों का सामना करना पड़ता है जिनसे डिजिटल इंजीनियरों को शायद ही कभी सामना करना पड़ता है। सर्किट विशेषताएं घटक सहिष्णुता, तापमान विचलन,शोर युग्मन और लेआउट प्रभावछोटे परिवर्तनों का लाभ, झुकाव, बैंडविड्थ या स्थिरता पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ सकता है।

सत्यापन और ट्यूनिंग प्रक्रिया अक्सर समय लेने वाली और पुनरावर्ती होती है। डिजाइनर को शक्ति और तापमान सीमाओं के भीतर प्रदर्शन का मूल्यांकन करना चाहिए, सबसे खराब मामले सहिष्णुता पर विचार करना चाहिए,और सिस्टम स्तर की आवश्यकताओं के अनुपालन का सत्यापनउच्च प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए, सर्किट बोर्डों को अक्सर कई बार संशोधित किया जाता है।

पुनरावर्ती लागत एक दीर्घकालिक समस्या है। प्रतिरोध मूल्य या फ़िल्टर टोपोलॉजी को समायोजित करने का मतलब आमतौर पर हार्डवेयर को फिर से डिजाइन करना होता है। प्रत्येक संशोधन लागत, अनुसूची और जोखिम जोड़ता है।

बाद के परिवर्तन विशेष रूप से विनाशकारी हैं. नए सेंसर, अद्यतन अनुपालन आवश्यकताओं, या अप्रत्याशित शोर स्रोतों महत्वपूर्ण redesigns के लिए मजबूर कर सकते हैं।इन मुद्दों को फर्मवेयर उन्नयन द्वारा हल नहीं किया जा सकता हैलचीलेपन की कमी लंबे समय से सिमुलेशन प्रणालियों पर ध्यान केंद्रित करने में एक संरचनात्मक बाधा रही है।

फील्ड-प्रोग्राम करने योग्य एनालॉग सरणी का परिचय
एफपीजीए एक एकीकृत सर्किट है जिसमें कॉन्फ़िगर करने योग्य एनालॉग फ़ंक्शन हैं। एफपीएए एक निश्चित आंतरिक सर्किट पर निर्भर नहीं है, बल्कि एक अंतर्निहित प्रोग्राम करने योग्य एनालॉग बिल्डिंग ब्लॉक है।इन बिल्डिंग ब्लॉकों को अनुकूलित सिग्नल पथ बनाने के लिए परस्पर जुड़े जा सकते हैं.

विशिष्ट FPAA कार्यों में प्रवर्धन, फ़िल्टरिंग, एकीकरण और तुलना शामिल हैं। एक ही उपकरण उत्पाद विकास के विभिन्न चरणों में एक भिन्न विन्यास कर सकता है,या फिर इसके उद्देश्य को पूरी तरह से फिर से परिभाषित कर एक नया कार्यात्मक अभिविन्यास प्राप्त करने के लिएयह पुनः विन्यास FPAA की एक निर्णायक विशेषता है।

एफपीएए को अक्सर एफपीजीए से तुलना की जाती है, हालांकि समानताएं प्रौद्योगिकी के बजाय अवधारणा में निहित हैं। दोनों पुनः प्रयोज्य कार्य ब्लॉकों और प्रोग्राम करने योग्य इंटरकनेक्शन पर निर्भर करते हैं।दोनों के बीच मुख्य अंतर यह है कि एफपीएए सीधे निरंतर समय एनालॉग डोमेन में काम करता है, वास्तविक दुनिया के संकेतों को डिजिटल रूप में परिवर्तित किए बिना संसाधित करता है।

हाइब्रिड सिग्नल प्रणालियों में, एफपीएए का उपयोग अक्सर एक अनुकूली एनालॉग फ्रंट-एंड के रूप में किया जाता है। ये उपकरण सेंसर और एडीसी के बीच या डीएसी और एक्ट्यूएटर के बीच स्थित होते हैं,डिजिटल प्रसंस्करण शुरू करने से पहले संकेत की गुणवत्ता में सुधार.

कोर आर्किटेक्चर और कॉन्फ़िगरेशन मॉडल
एफपीएए एक कॉन्फ़िगर करने योग्य एनालॉग ब्लॉक (सीएबी) के चारों ओर बनाया गया है जो डिवाइस के कोर का गठन करता है। इन मॉड्यूल का उपयोग आमतौर पर एम्पलीफायर, फिल्टर, इंटीग्रेटर,और तुलनाकारप्रत्येक मॉड्यूल प्रोग्राम करने योग्य है ताकि डिजाइनर आवश्यक सर्किट विशेषताओं को परिभाषित करने के लिए लाभ, बैंडविड्थ, ऑफसेट स्थितियों और सीमा स्तर जैसे मापदंडों को सेट कर सके।

इन मॉड्यूलों का परस्पर संबंध प्रोग्राम करने योग्य परस्पर संबंध (रूटिंग संरचनाओं) के माध्यम से प्राप्त किया जाता है।यह संरचना परिभाषित करती है कि सिग्नल डिवाइस के माध्यम से कैसे बहता है और बाहरी हार्डवेयर को फिर से डिजाइन किए बिना सिग्नल श्रृंखला की पुनर्व्यवस्था या विस्तार की अनुमति देता है.

किसी उपकरण का विशिष्ट व्यवहार विन्यास जानकारी द्वारा परिभाषित किया जाता है और आमतौर पर स्विच सूची या विन्यास मेमोरी के रूप में संग्रहीत किया जाता है।यह विन्यास जानकारी पावर अप पर लोड किया जाता है और एक एनालॉग संकेत पथ स्थापित किया जाता हैकई एफपीएए प्लेटफार्म तेजी से पुनर्गठन का भी समर्थन करते हैं, जिससे विकास के दौरान या कुछ मामलों में संचालन के दौरान अद्यतन की अनुमति मिलती है।

एनालॉग I/O इंटरफ़ेस सेंसर, ADC, DAC और अन्य बाहरी घटकों के साथ FPAA को जोड़ता है। इन इंटरफेस को विशेष रूप से पूर्वानुमानित सिग्नल स्तर सुनिश्चित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है,स्थिर संचालन और मिश्रित संकेत प्रणालियों के साथ निर्बाध एकीकरण.

डिजाइन प्रक्रिया और विकास लाभ
एफपीएए के विकास से सिमुलेशन प्रणालियों के डिजाइन का तरीका बदल जाता है।सिग्नल व्यवहार को परिभाषित करने के लिए योजना आधारित विन्यास उपकरण.

डिजाइनर एक कॉन्फ़िगर करने योग्य एनालॉग ब्लॉक (सीएबी) का चयन करके और एक प्रोग्राम करने योग्य वायरिंग वास्तुकला (चित्र 2) के माध्यम से मॉड्यूल को आपस में जोड़कर एक पूर्ण सिग्नल लिंक बनाता है।लाभ जैसे प्रमुख मापदंड, फ़िल्टरिंग विशेषताओं और सीमा को सीधे सॉफ्टवेयर में सेट किया जा सकता है। यह क्षमता अनुकरण डिजाइन को बोझिल मैनुअल गणनाओं से तेज, अधिक लचीला करने के लिए स्थानांतरित करती है,और अधिक विन्यास योग्य विधियाँ.

पूर्ण सिग्नल लिंक कॉन्फ़िगर करने योग्य एनालॉग ब्लॉक (CAB) का चयन करके बनाया जा सकता है (ज़ूम इन पर क्लिक करें)
चित्र 2: कॉन्फ़िगर करने योग्य एनालॉग ब्लॉकों (सीएबी) का चयन करके और प्रोग्राम करने योग्य केबलिंग वास्तुकला के माध्यम से मॉड्यूल को आपस में जोड़कर पूर्ण सिग्नल श्रृंखलाएं बनाई जाती हैं (स्रोतः ओकिका डिवाइस)

चूंकि डिजाइन को मिनटों के मामले में अपडेट किया जा सकता है, इसलिए पुनरावृत्ति चक्र काफी तेज है। इंजीनियर तेजी से विकल्पों का पता लगा सकते हैं, व्यापार-बंद का मूल्यांकन कर सकते हैं,और लगातार प्रदर्शन में सुधारइस पुनरावर्ती गति पर, वास्तविक अनुकूलन प्राप्त किया जा सकता है, जो अक्सर पारंपरिक एनालॉग हार्डवेयर के साथ संभव नहीं है क्योंकि प्रत्येक परिवर्तन के लिए पुनः डिजाइन, पुनर्गठन और पुनः परीक्षण की आवश्यकता होती है।

अधिकांश एफपीएए प्लेटफार्म चालू होने पर कॉन्फ़िगरेशन लोड करते हैं, जबकि कुछ संरचित रन का समर्थन करते समय पुनः कॉन्फ़िगर किए जाते हैं, जैसे ऑपरेटिंग मोड के बीच स्विच करना। दोनों मामलों में,हार्डवेयर को बदले बिना सिमुलेशन कार्यों को संशोधित करने की क्षमता विकास समय को कम करती है, लागत को कम करता है और उत्पाद के जीवन चक्र को बढ़ाता है।

वास्तव में, FPAA सिमुलेशन डिजाइन में एक सॉफ्टवेयर-परिभाषित मॉडल लाता है, जिससे इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली की फ्रंट-एंड लचीलापन, दक्षता और प्रदर्शन एक नए स्तर पर पहुंच जाता है।

आम आवेदन
सेंसर सिग्नल कंडीशनिंग
सेंसर इंटरफेस एफपीएए के लिए प्राथमिक उपयोग का मामला है। कई सेंसर कम स्तर, शोर, या तिरछा संकेत उत्पन्न करते हैं और डिजिटलीकरण से पहले प्रवर्धन, फ़िल्टरिंग और कैलिब्रेशन की आवश्यकता होती है।

एफपीएए इन कार्यों को एक ही उपकरण में एकीकृत कर सकता है ताकि घटकों की संख्या कम हो सके और डिजाइन में बदलाव को सरल बनाया जा सके।सिग्नल श्रृंखलाओं को फिर से डिजाइन करने के बजाय फिर से कॉन्फ़िगर किया जा सकता है जब सेंसर विशेषताओं में परिवर्तन होता है या विकसित करने की आवश्यकता होती है.

यह विशेष रूप से उन प्रणालियों के लिए महत्वपूर्ण है जो कई सेंसर प्रकारों या बदलती आवश्यकताओं का समर्थन करते हैं।

ईसीजी या ईसीजी निगरानी एक अच्छा उदाहरण है। मानव शरीर से मापे जाने वाले विद्युत संकेत आमतौर पर केवल कुछ मिलीवोल्ट होते हैं और गति कलाकृतियों, विद्युत लाइन हस्तक्षेप,और मूल रेखा में उतार-चढ़ावविश्वसनीय माप प्राप्त करने के लिए, सिग्नल एडीसी में प्रवेश करने से पहले सटीक प्रवर्धन, फ़िल्टरिंग और सामान्य मोड शोर दमन की आवश्यकता होती है।