チップに秘められた秘密:CMX868AD2は、どのようにして低コストでハイエンド性能を実現しているのか?
2025年10月31日 — Industrial Internet of Thingsにおける信頼性の高い通信に対する需要が継続的に増加しているため、複数のプロトコルをサポートするマルチモードモデムチップは、産業用通信システムの主要コンポーネントになりつつあります。新しく発売されたCMX868AD2マルチモードモデムチップは、その優れた統合性と柔軟な構成能力により、産業オートメーション、スマート機器、その他の分野に革新的な通信ソリューションを提供します。
I. チップ紹介
CMX868AD2は、高度なCMOS技術を使用して製造された高性能マルチモードモデムチップであり、完全な変調および復調機能を統合しています。このチップは、FSK、PSK、QAMを含む複数の変調プロトコルをサポートし、さまざまな産業用アプリケーションシナリオの通信要件を満たしています。そのコンパクトなパッケージ設計と豊富な機能統合により、産業用通信システムに最適な選択肢となっています。
コア技術的利点
CMX868AD2は、高度な混合信号処理技術を採用し、単一チップ内に完全な変調および復調機能を統合しています。その主な機能には以下が含まれます。:
1.マルチモード動作のサポート
FSK、PSK、QAMを含む複数の変調方式をサポート
最大19.2kbpsのプログラマブルデータ伝送速度
自動イコライゼーションおよびクロックリカバリ機能を統合
2. 高度な統合設計
内蔵のプログラマブルフィルタバンクとゲインアンプ
精密アナログフロントエンド回路を統合
完全なタイミングおよび制御ロジックを搭載
3. 産業グレードの信頼性
動作温度範囲:-40℃~+85℃
5μA以下のスタンバイ電流による低消費電力設計
強力な干渉防止能力、過酷な産業環境に適しています
II. 低消費電力V.22bisモデムチップの機能分析
チップアーキテクチャの概要
CMX868AD2は、マルチモジュール協調アーキテクチャ設計を採用した高度に統合された低消費電力V.22bis標準モデムチップであり、単一チップ内で完全なモデム機能を実装しています。
コア機能モジュールの分析
1. 制御およびデータインターフェースユニット
C-BUSシリアルインターフェース:外部ホストコントローラとの標準通信インターフェースを提供
コマンドデータチャネル:構成命令と制御データの送信をサポート
応答データチャネル:ステータスフィードバックとデータ応答機能を有効にする
RDR/N、IRONおよびその他の制御信号:データ伝送方向とデバイスステータスを管理
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2. データ処理コア
Tx/RxデータレジスタとUSART:データバッファリングとシリアル-パラレル変換を実装
スクランブラ有効制御:データ伝送スクランブルおよびデスクランブル操作をサポート
デスクランブラ有効制御:受信中の正しいデータ回復を保証
3. モデムエンジン
FSKモデム:周波数シフトキーイング変調をサポート
QAM/DPSKモデム:直交振幅変調と差動位相シフトキーイングを実装
モデムエネルギー検出器:信号の存在と強度を自動的に検出
リング検出器:通信リンク内のコール信号を識別
4. 信号処理チャネル
送信フィルタとイコライザ:送信信号のスペクトル特性を最適化
受信モデムフィルタとイコライザ:受信信号の品質を向上
DTMF/トーンジェネレータ:デュアルトーン多重周波数およびプロンプトトーン信号を生成
DTMF/トーン/コールプログレストーン検出器:さまざまなトーン信号を識別
技術的特徴と利点
高度に統合された設計
単一チップに統合された完全なモデム機能
外部コンポーネントの数を削減し、システムコストを削減
PCBレイアウト設計を簡素化
マルチモード変調のサポート
V.22bis標準要件に準拠
FSK、QAM、DPSKを含む複数の変調方式をサポート
柔軟な構成オプションは、さまざまなアプリケーションシナリオに適応
インテリジェント信号処理
統合された適応イコライザは、通信品質を向上
内蔵のエネルギー検出は、システムの消費電力を最適化
自動ゲイン制御は、リンクの信頼性を強化
低消費電力特性
バッテリー駆動デバイス向けに最適化
インテリジェントな電力管理戦略
複数の省電力動作モード
アプリケーション価値
CMX868AD2の機能アーキテクチャは、産業用通信分野におけるその実用的な価値を完全に示しており、リモートデータ伝送、自動ダイヤルシステム、および組み込みモデムに完全で信頼性の高いソリューションを提供します。その高度に統合された特性と低消費電力設計により、長期的な安定動作を必要とするIndustrial IoTデバイスに特に適しています。
III. 全体的な回路機能分析
この図は、CMX868AD2チップの適切な動作に必要な最小限の必須外部コンポーネント構成を定義しています。クロック回路、電源デカップリング、アナログオーディオインターフェースの3つのコア外部回路モジュールを明確に示しています。
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コア外部回路モジュールの分析
1. クロック回路
これはチップの「心臓」として機能し、すべての内部動作に正確なタイミング基準を提供します。
コアコンポーネント: 水晶発振器X1(周波数11.0592MHzまたは12.288MHz)
周波数の選択は、チップがサポートするデータ伝送速度(ボーレート)を直接決定します。
マッチングコンデンサ:2つの22pFコンデンサC1とC2。
これらは水晶と並列に接続され、負荷マッチングとして機能します。水晶の内部特性と合わせて、共振回路を形成し、水晶が安定して発振を開始し、公称周波数で正常に動作するようにします。
2. 電源デカップリング回路
これは、安定したチップ動作を確保し、電源ノイズを抑制するために不可欠です。
高周波デカップリング:100nFコンデンサC3とC4は、VDDピンの近くに配置されます。
これらは、チップの内部高速デジタル回路(USARTやモデムコアなど)によって生成される高周波過渡電流の低インピーダンスパスを提供し、電源ノイズがチップ自体に干渉し、外部電源を汚染するのを防ぎます。
低周波/エネルギー貯蔵デカップリング:10μFコンデンサC5もVDDとVSSの間に接続されています。
これは主に、低周波の電源リップルを除去し、システムの瞬間的な消費電力が増加したときにエネルギー予備を提供し、電圧の安定性を維持するために使用されます。
3. アナログオーディオインターフェース
これは、チップを現実世界のオーディオ信号(電話回線など)に接続するブリッジとして機能します。
送信パス:
チップは、TXAおよびTXANピンから一対の差動アナログ信号を出力します。この差動出力方式は、より強力な同相ノイズ除去能力を提供します。
受信パス:
RXANは、受信用の主要なアナログ信号入力ピンです。
RXAFBは、受信チャネルのフィードバックピンです。通常、受信アンプのゲインと周波数応答を設定するために、外部抵抗/ネットワークに接続する必要があります。図の「4.2を参照」という表記は、具体的な接続方法がデータシートの対応するセクションを参照する必要があることを示しています。
バイアス電圧:
VBIASピンは、チップの内部アナログ回路に正確なDC基準電圧(通常はVDD/2)を提供します。このピンは、100kΩ抵抗R1を介してVDDに接続する必要があります。
この抵抗は、内部回路と組み合わせて、安定したバイアスポイントを確立します。これにより、シングル電源動作下のアナログ信号(AC)が、クリッピング歪みを引き起こすことなく、この電圧を中心にスイングできるようになります。
コンポーネント許容差要件
この図は、明確に示しています:抵抗許容差±5%、コンデンサ許容差±20%。これは以下を示しています:
クロック回路(C1、C2)およびバイアス回路(R1)の場合、±5%の抵抗許容差と±20%のコンデンサ許容差は、基本的な機能を確保するための最小要件を表しています。
より高い性能を要求するアプリケーションでは、より安定した一貫した性能を達成するために、より正確なコンポーネント(1%抵抗や5%/10%コンデンサなど)を選択できます。
概要
この「標準アプリケーション回路図」は、本質的にチップ動作の最小システムテンプレートとして機能します。これは設計者に以下を知らせます:
CMX868AD2は、外部水晶と負荷コンデンサに接続して機能する必要があります。
異なる値のデカップリングコンデンサは、フィルタリングのために電源ピンの近くに配置する必要があります。そうしないと、システムが不安定になったり、性能が低下したりする可能性があります。
アナログインターフェースは適切なバイアスを必要とし、受信チャネルのゲインはRXAFBを介して外部から構成できます。
図に推奨されているコンポーネント許容差を遵守することは、設計の成功を確保するための基本です。
IV. 回路機能の概要
この回路の主な機能は、2線式電話回線からの高電圧ACリング信号(最大数十ボルト)を、CMX868AD2チップが認識できる低電圧デジタルレベル信号に安全に変換し、ステータスレジスタを介して着信をメインコントローラに通知することです。
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回路トポロジ分析
フロントエンド保護および整流モジュール
4つの1N4004ダイオード(D1-D4)を使用した古典的なブリッジ整流器アーキテクチャを採用
2線式電話回線に直接接続された入力端子、90VACリング信号を処理
ブリッジ整流器はデュアル機能を提供:
-
極性自動適応:電話回線のTip/Ring接続に関係なく、固定出力極性を保証
-
AC-DC変換:ACリング信号を脈動DC信号(ノードX)に変換
信号調整および減衰ネットワーク
高電圧電流制限:R20、R21(470kΩ)は信号パスに直列に接続され、入力電流を安全な範囲内に制限
ノイズ抑制:C20、C21(0.1μF)は、抵抗器とRCフィルタネットワークを形成して、回線の高周波干渉を抑制
レベル減衰:R22、R23は電圧分圧器を構成し、高電圧信号をCMOSレベルに減衰
DCブロッキングカップリング:C22(0.33μF)はDC成分をブロックし、リングAC信号のみをRTピンに送信
チップインターフェースと検出ロジック
信号入力:調整された信号はRTピンを介してチップに入力
内部コンパレータ:RTピンのレベル変化を検出し、リングパターンを識別
ステータスレジスタ:有効なリングが検出されると、ステータスレジスタのビット14(リング検出)を自動的に設定
制御インターフェース:メインプロセッサはシリアルインターフェースを介してステータスレジスタを読み取り、リングイベント情報を取得
主要設計パラメータ分析
抵抗ネットワーク:R20、R21、R24は470kΩの高抵抗値を使用し、高電圧下での安全な動作を保証
コンデンサ選択:C20、C21の0.1μFの値は、電話回線ノイズスペクトルに最適化
カップリング設計:C22の0.33μFの値は、20Hzリング信号の効果的な伝送を保証
ダイオード仕様:1N4004の400V耐電圧は、電話回線のピーク電圧要件を満たしています
信号処理フロー
90VACリング信号がブリッジ整流器に入力
出力脈動DC信号は、RCネットワークを介してフィルタリングおよび減衰
信号は、DCブロッキングコンデンサを介してRT検出ピンに結合
内部チップコンパレータは、有効なリングパターンを識別
ステータスレジスタが更新され、ホストクエリを待機
安全性と信頼性の設計
複数の保護:ブリッジ整流器+高電圧抵抗器は、二重の安全絶縁を提供
ノイズ耐性:多段フィルタリングネットワークは、回線干渉を効果的に抑制
レベル適応:正確な電圧分圧器設計は、最適な信号振幅を保証
ステータス同期:ハードウェア検出とソフトウェアポーリングを組み合わせて、リアルタイム応答を保証
この回路は、産業グレードの通信インターフェース設計の本質を体現しており、安全性を確保しながら信頼性の高いリング検出機能を提供し、完全なモデムソリューションとしてのCMX868AD2の不可欠なコンポーネントとなっています。
V. 2線式回線インターフェース回路分析
回路機能の概要
この回路は、CMX868AD2と標準の2線式電話回線間のコアアナログインターフェースとして機能し、オーディオ信号の送受信とレベルマッチングを処理して、チップと電話ネットワーク間の効率的な接続を可能にします。
送信パス設計
差動駆動:TXA/TXANピンは相補的なオーディオ信号を出力
ACカップリング:C10(33nF)コンデンサは、変調信号を送信しながらDC成分をブロック
インピーダンスマッチング:R13の抵抗値は、実際のトランス特性に基づいて調整され、回線端子で標準の600Ωインピーダンスを確保
回線駆動:信号は、電気的絶縁のためにトランスを介して2線式電話回線に結合
受信パスアーキテクチャ
入力保護:R11とR12は、過剰な入力信号によるチップの損傷を防ぐための減衰ネットワークを形成
高周波フィルタリング:C11(100pF)コンデンサは、RF干渉と高周波ノイズを除去
レベル適応:R11とR12の抵抗値は、モデムのダイナミックレンジに合わせるための入力信号振幅を決定
バイアス構成:VBIAS電圧は、対応するネットワークを介して受信チャネルのDC動作点を確立
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主要回路モジュールの分析
ハイブリッド回路構造
送受信信号はトランス側で共存
インピーダンスバランス技術によるサイドトーン効果の抑制
トランスによる一次側と二次側の電気的絶縁
フィルタリングとレベル管理
受信入力端子C11(100pF)は、一次ローパスフィルタを形成
送信出力端子C10(33nF)は、低周波応答特性を保証
R11とR12の抵抗値は、期待される受信感度に基づいて正確に計算
バイアスおよび基準ネットワーク
VBIASは、アナログフロントエンドに正確なDC基準を提供
シングル電源動作下で信号スイングが線形領域内に留まることを保証
抵抗分圧器ネットワークを介して最適な動作点を確立
重要なコンポーネント選択パラメータ
R13:公称600Ω、最適なインピーダンスマッチングのためにトランスパラメータに基づいて微調整が必要
C10:低周波カットオフを決定する33nFカップリングコンデンサ
C11:高周波ノイズ抑制に最適化された100pFフィルタリングコンデンサ
R11/R12:受信信号減衰制御、感度とダイナミックレンジのバランス
保護と拡張設計
回線保護回路(図示せず)は、実際のアプリケーションで追加の過渡電圧サプレッサとサージ保護を必要とします
予約されたリレードライバインターフェースは、回線切り替えまたは追加機能をサポート
すべての受動部品は、バッチ生産の一貫性を確保するために許容差要件を指定
システム統合価値
このインターフェース回路は、信号の完全性を確保すると同時に、不可欠な安全絶縁と干渉防止能力を提供し、古典的なアナログフロントエンド設計の本質を示しています。これは、電気通信アプリケーションにおけるCMX868AD2の安定した動作の基本的な保証として機能します。正確なインピーダンスマッチングとレベル制御により、さまざまな電話ネットワーク機器との互換性を確保します。
VI. 受信機モデムデータパスブロック図の分析
ブロック図は、物理層フレーム同期からデータリンク層文字処理まで、チップ内で受信データが段階的に処理される様子を明確に示しています。ワークフロー全体は高度に自動化され、ハードウェア駆動型であり、メインマイクロコントローラの作業負荷を大幅に削減します。
データフローメインパイプライン
1.信号入力:「FSKまたはQAM/DPSK復調器から」から始まります。これは、FSKまたはQAM/DPSK復調器によって回復されたバイナリビットストリームがこのデータパスに供給されることを示しています。
2.シリアル受信と文字フレーム同期:ビットストリームは「Rx USART」モジュールに入ります。
「スタート/ストップビット」ロジックは、各文字フレームのスタートビットとストップビットを検出する役割を担います。スタートビットを特定した後、データビット、オプションのパリティビットを順次受信し、最後にストップビットを検証することで、文字同期を実現します。
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3.パリティチェック:スタートストップモードでは、受信したデータバイトは「パリティビットチェッカー」を通過して偶数パリティ計算が行われ、その結果はステータスレジスタの対応するフラグビットに更新されます。
4.データバッファリング:検証済みのデータバイトは、「Rxデータバッファ」に送信され、データフローをスムーズにするために使用される一時的なストレージ領域です。
5.データ準備完了:新しい完全なデータ文字が準備完了になると、バッファから「C-BUS Rxデータレジスタ」にコピーされ、マイクロコントローラによる取得を待ちます。
6.ホストインターフェース:マイクロコントローラは、「C-BUSインターフェース」を介して「RxデータからμC」パスにアクセスし、最終的に「Rxデータレジスタ」からデータを読み取ります。
ステータス、エラー、および制御ロジック
データ準備完了通知:
データがRxデータレジスタに格納されると、チップは自動的に「Rxデータ準備完了」フラグ(ステータスレジスタにあります)を「1」に設定します。
これは、マイクロコントローラに新しいデータが利用可能で読み取り準備ができていることを示す、重要な割り込みまたはポーリング信号として機能します。
フレームエラー処理:
テキストは、ストップビットエラーの場合を具体的に説明しています。USARTが期待するストップビットが「0」として受信された場合(つまり、フレーミングエラー)、チップは文字をレジスタに格納し、「データ準備完了」フラグを設定しますが、同時にステータスレジスタの「Rxフレーミングエラー」ビットを「1」に設定します。
その後、USARTは次の「1」から「0」への遷移(つまり、ストップビットからスタートビットへ)に再同期します。このフレーミングエラーフラグは、次の文字が正常に受信されるまでアクティブなままです。
特殊パターン検出器:
図は、メインデータパスとは独立して動作し、ビットストリームパターンを継続的に監視するいくつかのタイプの検出器を示しています。それらのステータスは、ステータスレジスタのビットb7、b8、およびb9に反映されます:
「1010検出器」:特定の交互パターンを検出するために使用(FSKモードでのみ有効)、通常は特定のプロトコルでのリンク品質テストまたは同期に使用されます。
「連続0検出器」および「連続1検出器」:長い「0」または「1」のシーケンスを検出するために使用され、リンクの中断、アイドル状態、または特定のシグナリングを示す可能性があります。
「連続スクランブル1検出器」:スクランブルされた「1」の長いシーケンスを検出するために特別に設計されています。
デスクランブラ有効:
「デスクランブラ有効」信号は、QAM/DPSKモードでのみ動作するデスクランブラを制御します。デスクランブルは、デジタル通信で一般的に使用される手法であり、送信端で「スクランブル」されたデータを復元し、長い「0」または「1」のシーケンスを防ぎ、受信側でのクロックリカバリを容易にします。
主要モジュール機能の概要
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モジュール/信号 |
機能の説明 |
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Rx USART |
ビットサンプリング、文字フレーム同期(スタート/ストップビット)、およびシリアル-パラレル変換を担当するコア処理ユニット。 |
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パリティビットチェッカー |
スタートストップモードで受信した文字の偶数パリティチェックを実行するデータ検証ユニット。 |
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Rxデータバッファ/レジスタ |
データバッファおよびホストアクセス可能なデータレジスタ。 |
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C-BUSインターフェース |
チップとマイクロコントローラ間の通信バス。 |
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ステータスレジスタ |
コアフラグには、Rxデータ準備完了、偶数Rxパリティ、およびRxフレーミングエラーが含まれるステータスレジスタ。 |
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特殊パターン検出器 |
リンク品質を診断し(1010パターン、長い0/1シーケンス)、特定のパターンを識別するために並行して動作する監視ユニット。 |
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デスクランブラ |
QAM/DPSKモードで使用され、有効にすると送信機によってスクランブルされたデータを復元するデータ回復ユニット。 |
プロセスの概要
要するに、これは高度に自動化された受信パイプラインです:
復調されたビットストリーム→(USART:ビット同期と文字フレームフォーマット)→パリティチェック→データバッファリング→データレジスタ→ステータスレジスタが[データ準備完了]に設定→マイクロコントローラがC-BUS経由で読み取り。
この設計により、マイクロコントローラは、面倒なビットレベルのタイミング処理、文字アセンブリ、および基本的なエラー検出から完全に解放されます。マイクロコントローラは、「割り込み駆動型」または「ステータスポーリング」アプローチを介して、準備ができたときに効率的にデータを読み取るだけで済み、豊富なリンクステータス情報も取得できるため、システムの効率と信頼性が大幅に向上します。
VII. プログラマブルフィルタモジュールの分析
モジュール機能の概要
このフィルタ実装回路は、CMX868AD2プログラマブルトーン検出器のコア処理ユニットとして機能します。完全にデジタル化されたプログラマブルアーキテクチャを採用しており、ソフトウェア構成を介して正確な周波数選択とレベル検出機能を有効にします。
プログラミングアーキテクチャ設計
レジスタ構成システム
27レベルのプログラマブルレジスタバンクは、完全なフィルタパラメータライブラリを形成
固定開始アドレス値:32769(8001h)は、構成開始識別子として機能
26個のパラメータレジスタ:アドレス範囲0000-7FFFh、すべてのフィルタ設定をカバー
16ビットデータ精度:周波数とレベルパラメータの正確な制御を保証
パラメータ構成構造
1.開始ワード
固定値8001hは、構成シーケンスの開始マーカーとして機能
おそらく、フィルタ構成ステートマシンを初期化するために使用
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2.フィルタパラメータセクション
26個の連続するプログラマブルレジスタ
各レジスタは、特定のフィルタ特性パラメータに対応
リアルタイムのフィルタ特性調整のための動的更新をサポート
技術的な実装特性
デジタルフィルタアーキテクチャ
プログラマブルIIR/FIRフィルタ構造を利用
マルチステージフィルタカスケード実装をサポート
構成可能なバンド選択ロジックを統合
精度とダイナミックレンジ
16ビットパラメータ分解能は、周波数設定の精度を保証
32767:1のダイナミックレンジは、広範囲の振幅レベル検出をサポート
デジタル実装は、温度と時間の安定性を保証
プログラミングインターフェース機能
チップメイン制御バスと互換性のある標準シリアルインターフェース
バッチ構成と単一パラメータ更新のデュアルモードをサポート
不揮発性構成データは、電源サイクル全体で有効性を維持
アプリケーション構成プロセス
開始ワード8001hを書き込んで、構成シーケンスを開始
26個のフィルタパラメータレジスタを継続的に書き込み
パラメータは、追加の開始コマンドなしで自動的に有効になります
パラメータを書き換えることで、フィルタ特性をリアルタイムで調整できます
システム統合価値
このプログラマブルフィルタアーキテクチャは、高い設計柔軟性を示しており、ソフトウェア構成を介して以下を可能にします:
マルチスタンダードトーン検出のためのハードウェア統合
フィールド適応型アップグレードとメンテナンス
フィルタ特性の正確な微調整と最適化
多様な通信規格との互換性
この設計は、複雑な通信環境におけるCMX868AD2の適応性を大幅に強化し、Industrial IoTアプリケーションに信頼性の高いトーン検出ソリューションを提供します。
VIII. プログラマブルデュアルトーン検出器アーキテクチャの分析
システムアーキテクチャの概要
このプログラマブルデュアルトーン検出器は、デュアルチャネル並列処理アーキテクチャを採用し、高次フィルタリングとデジタル周波数測定技術を組み合わせて、特定のトーンの組み合わせの正確な検出を実現しています。
コア処理チャネル
信号前処理ユニット
入力信号は、2つの独立した処理チャネルに同時に供給されます
各チャネルのフロントエンドには、4次IIRフィルタバンクが装備されています
フィルタは、優れた周波数選択性のための高Q特性を備えています
ターゲット周波数を効果的に分離し、帯域外ノイズ干渉を抑制
デュアルパラメータ検出メカニズム
周波数検出ユニット
デジタル周期測定原理を採用
フィルタリングされた信号に対してゼロクロス検出とシェーピングを実行
プログラマブル数の完全なサイクルの時間長を測定
構成可能な時間上限/下限を備えた統合ウィンドウコンパレータ
測定値が許容範囲内にある場合、ターゲット周波数が確認されます
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レベル検出ユニット
信号振幅強度を監視
プログラマブルしきい値と比較
検出された信号が十分な信号対雑音比を維持していることを確認
弱いノイズ干渉からの誤トリガーを防止
検出ロジックとステータス出力
並列処理フロー
高周波および低周波チャネルは独立して処理
デュアルパラメータ(周波数、レベル)を同時に検出
「AND」ロジック決定原理を採用
両方のチャネルが有効な場合にのみ、検出結果が確認されます
ステータスレジスタ構成
検出結果は、ステータスレジスタの特定のビットにマッピング
ビットB6、B7、B10は、リアルタイムの検出ステータスを反映
マイクロコントローラポーリングまたは割り込み応答を

