Nuvoton เปิดตัว MCU รุ่นใหม่ รวม ADC 24 บิตและ Analog Front End สำหรับงานวัดความแม่นยำในชิปเดียว

จุดเด่นของ NSC128L42 คือการติดตั้ง ADC แบบ Sigma-Delta ความละเอียด 24 บิต สำหรับการรับสัญญาณที่ต้องการความละเอียดและความแม่นยำสูง โดยรองรับอัตราการสุ่มสัญญาณสูงสุด 500 Hz แม้อัตราการสุ่มสัญญาณจะไม่สูงมาก แต่เป็นการออกแบบที่ตั้งใจให้เหมาะกับงานวัดสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงช้าและต้องการความแม่นยำสูง เช่น เครื่องชั่งน้ำหนัก (Load Cell) และ อุปกรณ์ทางการแพทย์ มากกว่าการวัดสัญญาณที่มีการเปลี่ยนแปลงรวดเร็ว

นอกจากนี้ ชิปยังมาพร้อม ADC แบบ SAR ความละเอียด 12 บิต ที่รองรับอัตราการสุ่มสัญญาณสูงสุด 200 ksps (200,000 ตัวอย่างต่อวินาที) สำหรับงานแปลงสัญญาณทั่วไปที่ต้องการความเร็วสูง โดยมีอินพุตจากภายนอก 5 ช่อง และอินพุตภายในอีก 3 ช่อง ช่วยให้รองรับการใช้งานได้หลากหลายภายในชิปเดียว

ในส่วนของวงจรรับสัญญาณ (Analog Front End) ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับ Load Cell และเซนเซอร์วัดความแม่นยำสูง ภายในรวม Instrumentation Amplifier ที่สามารถปรับอัตราขยายได้ตั้งแต่ 1–128 เท่า เพื่อขยายสัญญาณขนาดเล็กจากเซนเซอร์ พร้อมเทคโนโลยี Chopper Stabilization ที่ช่วยลดสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำ เพิ่มความแม่นยำในการวัด

ตัวชิปยังรวมวงจรอ้างอิงแรงดัน (Voltage Reference) ที่จำเป็นไว้ครบถ้วน ได้แก่ Bandgap Reference, LDO ที่ปรับแรงดันได้ตั้งแต่ 1.5–4.5 โวลต์ และ VMID Reference นอกจากนี้ยังมี Operational Amplifier (Op-Amp) แยกต่างหาก ซึ่งสามารถใช้งานเป็น Comparator ได้อีกด้วย ช่วยลดการใช้วงจรภายนอก ทำให้การออกแบบระบบง่ายขึ้น ลดจำนวนอุปกรณ์บนแผงวงจร (PCB) และช่วยลดต้นทุนของผลิตภัณฑ์โดยรวม.

ประมวลผลสัญญาณในตัว รองรับงานวัดความแม่นยำสูง

หลังจากรับสัญญาณแล้ว NSC128L42 ยังสามารถปรับแต่งและกรองสัญญาณในฝั่งดิจิทัล (Digital Signal Conditioning) ได้ภายในชิป ผ่าน ตัวกรองแบบ Cascaded Biquad จำนวน 6 ขั้น ซึ่งให้ประสิทธิภาพเทียบเท่ากับ ตัวกรอง IIR ลำดับที่ 12 (12th-order IIR Filter) และใช้ค่าสัมประสิทธิ์ (Coefficient) ความละเอียด 19 บิต ช่วยกรองสัญญาณรบกวนและเพิ่มความแม่นยำของข้อมูลที่วัดได้

ตัวกรองดังกล่าวสามารถประมวลผลข้อมูลจาก Sigma-Delta ADC ได้โดยตรง หรือทำงานแยกอิสระจาก ADC ก็ได้ นอกจากนี้ยังรองรับ FIFO Buffer และ DMA (Direct Memory Access) เพื่อให้การรับส่งข้อมูลทำได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องใช้ทรัพยากรของ CPU มากนัก ส่งผลให้แกนประมวลผลหลักมีเวลาสำหรับงานอื่นได้มากขึ้น

คุณสมบัติเหล่านี้ตอบโจทย์การใช้งานที่ Nuvoton มุ่งเป้าไว้โดยตรง ตัวอย่างเช่น เครื่องชั่งน้ำหนักที่ใช้ Load Cell ซึ่งต้องอาศัยวงจรขยายสัญญาณที่มีอัตราขยายสูงและมีสัญญาณรบกวนต่ำ เพื่อขยายสัญญาณระดับมิลลิโวลต์จากเซนเซอร์ จากนั้นจึงใช้ ADC ความละเอียดสูง ในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของน้ำหนักเพียงเล็กน้อย พร้อมใช้ตัวกรองดิจิทัลเพื่อลดสัญญาณรบกวนจากระบบไฟฟ้ากระแสสลับ (Mains Interference)

อุปกรณ์อื่น ๆ เช่น เครื่องวัดความดันโลหิต เครื่องวัดออกซิเจนในเลือด (Pulse Oximeter) เครื่องชั่งดิจิทัลความแม่นยำสูง รวมถึงเครื่องชั่งวิเคราะห์องค์ประกอบร่างกาย ก็มีความต้องการด้านการรับสัญญาณในลักษณะเดียวกัน การรวมวงจรรับสัญญาณ วงจรขยายสัญญาณ ADC และระบบกรองสัญญาณไว้ภายในชิป ช่วยลดความจำเป็นในการใช้ ADC และวงจรขยายสัญญาณภายนอก แบบที่พบในงานออกแบบทั่วไป ส่งผลให้ระบบมีขนาดเล็กลง ลดต้นทุน และช่วยให้การพัฒนาผลิตภัณฑ์ทำได้ง่ายขึ้น โดยยังคงประสิทธิภาพการวัดในระดับสูง.

NSC128L42P MCU block diagram

ประสิทธิภาพการประมวลผล หน่วยความจำ และการเชื่อมต่อครบครัน

NSC128L42 ใช้แกนประมวลผล Arm Cortex-M23 ที่ทำงานด้วยความถี่สูงสุด 49.152 MHz รองรับแรงดันไฟเลี้ยงกว้างตั้งแต่ 2.0–5.5 โวลต์ พร้อมออสซิลเลเตอร์ RC ความเร็วสูงภายในชิปที่มีความแม่นยำประมาณ ±1% ช่วยลดความจำเป็นในการใช้ออสซิลเลเตอร์ภายนอกในหลายแอปพลิเคชัน

ด้านหน่วยความจำ ชิปมาพร้อม Flash Memory ขนาด 320 KB, Loader ROM ขนาด 6 KB ซึ่งสามารถตั้งค่าให้ทำหน้าที่เป็น ISP Bootloader (In-System Programming) ได้ และ SRAM ขนาด 18 KB ตัวชิปบรรจุในแพ็กเกจ LQFP128 มีขา GPIO จำนวน 68 ขา และรองรับการทำงานในช่วงอุณหภูมิ -40°C ถึง 85°C เหมาะสำหรับทั้งงานอุตสาหกรรมและอุปกรณ์พกพา

นอกจากวงจรแอนะล็อกแล้ว NSC128L42 ยังรวมอุปกรณ์ต่อพ่วง (Peripheral) ที่จำเป็นไว้ภายในชิปอย่างครบถ้วน โดยมี ไดรเวอร์จอ LCD ที่รองรับการขับจอได้สูงสุด 8 Common × 44 Segment หรือรวม 352 จุด (Dots) พร้อม Charge Pump สำหรับสร้างแรงดันไบแอสของจอแสดงผลในตัว

สำหรับการแสดงผลด้วยเสียง ชิปยังมี ไดรเวอร์ลำโพงแบบ Class-D ที่สามารถขับกำลังขับได้สูงสุด 0.35 วัตต์ ที่แรงดัน 3.6 โวลต์ เมื่อใช้งานร่วมกับลำโพง 8 โอห์ม รองรับการเล่นเสียงแจ้งเตือนหรือเสียงแนะนำการใช้งาน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สืบทอดมาจากกลุ่มผลิตภัณฑ์ Audio SoC ของ Nuvoton

ในด้านอินเทอร์เฟซสำหรับผู้ใช้งาน (Human-Machine Interface) ชิปยังรองรับ Capacitive Touch สูงสุด 4 ช่อง, RTC (Real-Time Clock), Timer จำนวน 3 ชุด และ PWM ความละเอียด 14 บิต ทำให้อุปกรณ์อย่างเครื่องมือวัดแบบพกพาสามารถใช้งานได้โดยแทบไม่ต้องเพิ่มชิปควบคุมอื่น

ด้านการสื่อสาร NSC128L42 รองรับ UART จำนวน 3 ช่อง, SPI ที่รองรับการรับส่งข้อมูลได้สูงสุด 64 บิตต่อธุรกรรม, อินเทอร์เฟซ SPIM Flash ที่รองรับหน่วยความจำแบบ Quad SPI และ I²C Fast-mode Plus ที่รองรับความเร็วสูงสุด 1 Mbps

นอกจากนี้ยังมี DMA Controller แบบ 6 ช่อง ช่วยรับส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ต่อพ่วงและ ADC ได้โดยไม่ต้องให้ CPU เข้ามาจัดการโดยตรง ส่งผลให้ระบบทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

สำหรับการใช้งานในอุปกรณ์ที่ต้องการการตรวจสอบย้อนกลับ เช่น เครื่องมือแพทย์หรือมิเตอร์วัดพลังงาน ชิปยังมี Unique ID ขนาด 96 บิต และ Customer ID ขนาด 128 บิต เพื่อใช้ระบุอุปกรณ์แต่ละตัว รวมถึงรองรับ Serial Wire Debug (SWD) และการโปรแกรมชิปทั้งแบบ In-System Programming (ISP) และ In-Circuit Programming (ICP) ช่วยอำนวยความสะดวกทั้งในกระบวนการพัฒนาและการผลิตผลิตภัณฑ์.

NSC128L42 มี Deep Power Down Mode และยังมีจำหน่าย evaluation board

สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ NSC128L42 ได้รับการออกแบบให้รองรับการทำงานแบบประหยัดพลังงานหลายโหมด โดยเฉพาะ Deep Power-Down Mode ที่ใช้กระแสไฟต่ำกว่า 1 µA ช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ในอุปกรณ์ที่ต้องเปิดทำงานตลอดเวลา

ภายในชิปมี Low-Speed RC Oscillator สำหรับปลุกระบบเป็นระยะ (Periodic Wake-up) ทำให้อุปกรณ์สามารถเข้าสู่โหมดประหยัดพลังงาน และตื่นขึ้นมาทำงานเมื่อเกิดเหตุการณ์ที่กำหนดไว้ เช่น การแจ้งเตือนจาก RTC (Real-Time Clock), Timer, สัญญาณจาก GPIO หรือ Watchdog Timer ส่งผลให้สามารถลดการใช้พลังงานเฉลี่ยของระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือในการทำงาน ชิปยังติดตั้ง Brown-Out Detector (BOD) ที่สามารถตั้งค่าระดับแรงดันตรวจจับได้ 16 ระดับ ในช่วง 1.8–4.6 โวลต์ พร้อมระบบ Low-Voltage Reset (LVR) เพื่อป้องกันความผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟเลี้ยงลดลงต่ำกว่าค่าที่กำหนด

ด้านระบบสัญญาณนาฬิกา (Clock) ก็ได้รับการออกแบบให้ช่วยลดต้นทุนของอุปกรณ์ โดยใช้ออสซิลเลเตอร์ High-Speed RC ความถี่ 49.152 MHz ที่มีความแม่นยำประมาณ ±1% ซึ่งเพียงพอสำหรับการสื่อสารผ่าน UART โดยไม่จำเป็นต้องใช้คริสตัลออสซิลเลเตอร์ภายนอก ขณะที่ออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำจะทำหน้าที่ขับวงจร LCD และ Watchdog Timer ส่วนงานที่ต้องการความแม่นยำของเวลาในระยะยาว เช่น RTC ก็ยังสามารถต่อใช้งานคริสตัล 32.768 kHz ภายนอกได้

สำหรับนักพัฒนา Nuvoton ยังจำหน่าย NSC128L42EVB ซึ่งเป็น evaluation board รองรับไมโครคอนโทรลเลอร์รุ่น NSC128L42P, NSC128L42Y และ NSC128L42S พร้อมอินเทอร์เฟซ CAN FD, EBI (External Bus Interface) และ Arduino Uno Compatible เพื่อช่วยให้การพัฒนาต้นแบบและการทดสอบการใช้งานทำได้สะดวกและรวดเร็วยิ่งขึ้น.