滿足物聯(lián)網(wǎng)低功耗設(shè)計(jì)的傳感器融合

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】滿足物聯(lián)網(wǎng)低功耗設(shè)計(jì)的傳感器融合傳感器融合幾乎是不言自明的，因?yàn)樗Y(jié)合了來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，以便在比單個(gè)傳感器通常可能的更廣泛的環(huán)境中提供信息。然而，解釋它和做它之間有一個(gè)明顯的區(qū)別-可靠。如果沒有這些傳感器讀數(shù)的嚴(yán)密同步，傳感器融合算法很快就會(huì)失去準(zhǔn)確性，并可能產(chǎn)生誤導(dǎo)性結(jié)果。

為了防止這種情況，有些IC提供更先進(jìn)的多通道信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，讓設(shè)計(jì)人員更輕松地構(gòu)建能夠測(cè)量多個(gè)傳感器的系統(tǒng)，同時(shí)保持高可靠性傳感器融合應(yīng)用所需的嚴(yán)密同步性。

無(wú)論是物聯(lián)網(wǎng)（IoT），獨(dú)立嵌入式還是任何傳感器處理應(yīng)用程序，同步多通道數(shù)據(jù)采集可以對(duì)精度，動(dòng)態(tài)范圍和帶寬提出截然不同的要求。例如，用于在高能物理實(shí)驗(yàn)中捕獲事件的多傳感器陣列需要具有專用信號(hào)通道的超高速閃速轉(zhuǎn)換器，其能夠在千兆赫茲頻率下高度同步轉(zhuǎn)換。相比之下，帶有集成ADC的簡(jiǎn)單8位MCU可能足以每隔幾分鐘捕獲氣候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度，風(fēng)和大氣壓力。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)，許多傳感器融合應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)介于這兩個(gè)極端之間的要求-增加了對(duì)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，占用空間小和功耗低的要求。然而，在這個(gè)廣泛的范圍內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員仍然可以面對(duì)信號(hào)鏈的要求，包括優(yōu)化的組件或緊湊，高度集成系統(tǒng)的面部要求。無(wú)論實(shí)施方法如何，目標(biāo)都保持不變：確?？缍鄠€(gè)傳感器的可靠，同步轉(zhuǎn)換。

專用信號(hào)鏈

在超高速應(yīng)用之外，多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通常依賴于饋送高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的多路復(fù)用器。然而，對(duì)于需要嚴(yán)格同步測(cè)量的應(yīng)用，多路復(fù)用器切換和輸入信號(hào)穩(wěn)定所需的時(shí)間對(duì)于期望同時(shí)開展傳感器測(cè)量的傳感器融合應(yīng)用而言可能存在問題。

***儀器ADS131E08S是其中之一新興的模擬前端（AFE）IC，為每個(gè)模擬輸入通道提供專用信號(hào)路徑，提供真正的多通道同步采樣功能。器件中的每個(gè)通道都包含一個(gè)完整的信號(hào)路徑，包括電磁干擾（EMI濾波器，多路復(fù)用器，可編程增益放大器（PGA）和24位delta-sigma（ΔΣ）ADC（圖1，上圖）。依次是8個(gè)CHnSET存放器允許開發(fā)人員以編程方式配置每個(gè)通道的工作特性，甚至可以向上或向下驅(qū)動(dòng)通道（圖1，底部）。

圖1：***儀器ADS131E08S模擬前端IC提供8個(gè)完整的傳感器信號(hào)鏈（頂部）;每個(gè)通道可通過(guò)其自己的CHnSET存放器（n=1至8）開展軟件配置（底部），允許開發(fā)人員設(shè)置輸入源（MUX）和PGA增益（GAINn）甚至為單個(gè)通道上電或下電（PDn）供電。（：***儀器）

如前所述，ADS131E08S的獨(dú)特功能它是每通道多路復(fù)用器功能。雖然更傳統(tǒng)的多通道ADC中的多路復(fù)用器將不同的模擬輸入引腳連接到ADC，但ADS131E08S's通道多路復(fù)用器提供測(cè)試每個(gè)通道的機(jī)制。通過(guò)將CHnSet存放器中的MUX位設(shè)置為通道（n），工程師可以將通道n的信號(hào)源設(shè)置為內(nèi)部生成的信號(hào)，以開展測(cè)試，溫度和故障檢測(cè)（圖2）。p>

圖2：使用MUX位，設(shè)計(jì)人員可以配置集成在TIADS131E08S每個(gè)通道中的專用輸入多路復(fù)用器，以支持各種信號(hào)-用于信號(hào)測(cè)量，溫度測(cè)量，校準(zhǔn)和診斷的切換選項(xiàng)。（：***儀器）

在每個(gè)通道內(nèi)，多路復(fù)用器的輸出傳遞給可配置的PGA，包括兩個(gè)差分配置的運(yùn)算放大器。使用每個(gè)通道的CHnSET存放器，用戶可以將PGA增益設(shè)置為以下五種設(shè)置之一：1,2,4,8和12.，每個(gè)通道的信號(hào)鏈?zhǔn)褂冕槍?duì)低優(yōu)化的二階調(diào)制器饋入其專用ΔΣADC-電源操作。

簡(jiǎn)化操作

該設(shè)備提供硬件和軟件機(jī)制，用于同時(shí)執(zhí)行多通道傳感器測(cè)量。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)將器件的START引腳設(shè)置為高電平或通過(guò)器件的串行外設(shè)接口（SPI）兼容接口發(fā)送START命令來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。反過(guò)來(lái)，器件ADC開始轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)，將數(shù)據(jù)就緒指示器DRDY拉高。下一個(gè)DRDY下降沿表示轉(zhuǎn)換已完成且轉(zhuǎn)換結(jié)果已準(zhǔn)備就緒。在典型的基于MCU的系統(tǒng)中，MCU將監(jiān)控DRDY并使用SPI兼容接口讀取數(shù)據(jù)。

該器件廣泛的集成功能集還簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。除SPI兼容接口外，該器件還包括GPIO引腳，片上振蕩器，集成參考源和模擬比較器。因此，工程師可以簡(jiǎn)單地將TIADS131E08S與微控制器相結(jié)合，以創(chuàng)立完整的多通道同步采樣設(shè)計(jì)。

即使它僅消耗2mW/通道，ADS131E08S也支持高達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率每通道64Ksamples/s。如果需要八個(gè)以上的通道，設(shè)計(jì)人員可以級(jí)聯(lián)多個(gè)器件，使用相同的START信號(hào)啟動(dòng)所有級(jí)聯(lián)器件的同步轉(zhuǎn)換（圖3）。多個(gè)設(shè)備可以使用相同的SPI兼容總線;主機(jī)處理器將使用自己的GPIO信號(hào)分別選擇特定的ADS131E08S器件來(lái)發(fā)送命令或接收數(shù)據(jù)。

圖3：設(shè)計(jì)人員可以級(jí)聯(lián)多個(gè)ADS131E08SAFE可以同時(shí)測(cè)量8個(gè)以上的通道，使用主機(jī)處理器的GPIO信號(hào)作為跨共享SPI連接的每個(gè)器件的片選。（：***儀器）

綜合方法

使用專用AFE（例如TIADS131E08S）對(duì)于需要某些專門的傳感器采集或信號(hào)處理的應(yīng)用特別有效-特別是在需要更多通道或額外的高性能處理能力超過(guò)需要的情況下緊湊的設(shè)計(jì)。在占位面積是主要要求的情況下，設(shè)計(jì)人員可以求助于ADI公司的ADuCM320i等器件，該器件能夠?yàn)槎嗤ǖ劳綌?shù)據(jù)采集提供單芯片解決方案。ADuCM320i非常適合復(fù)雜的傳感器應(yīng)用，它將ARM?Cortex?-M3處理器內(nèi)核與片上閃存，SRAM以及豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一起（圖4）。

圖4：ADI公司ADuCM320i可作為完整的1MSPS多通道傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成了處理器，SRAM，閃存，ADC，電流輸出通道和片上PLA。（圖像：ADI公司）

在這些外設(shè)中，ADuCM320i提供四個(gè)電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。電流DAC（或IDAC）能夠提供0mA至150mA滿量程，為需要激勵(lì)電流開展操作的電阻式傳感器提供有效的解決方案。該器件還集成了一個(gè)完全可編程邏輯陣列（PLA），包括四個(gè)獨(dú)立但互連的PLA模塊，每個(gè)模塊提供八個(gè)PLA元件。每個(gè)PLA元素都包含一個(gè)雙輸入查找表，可以配置為基于兩個(gè)輸入和一個(gè)觸發(fā)器生成任何邏輯輸出功能。

器件的仍然是其片內(nèi)ADC，提供多16個(gè)輸入引腳上的14位數(shù)據(jù)采集，可配置為單端或差分操作。ADC模塊包括一個(gè)多通道多路復(fù)用器，用于高阻抗輸入通道的輸入緩沖器，片上基準(zhǔn)電壓源和逐次逼近存放器（SAR）ADC。雖然該器件采用傳統(tǒng)方法，其中單個(gè)片上多路復(fù)用器為ADC提供單獨(dú)的模擬輸入，但它能夠?qū)崿F(xiàn)1MSPS操作。在這些速率下，實(shí)際測(cè)量時(shí)間的微小差異對(duì)大多數(shù)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的傳感器融合應(yīng)用幾乎沒有影響。

設(shè)備只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的操作序列即可執(zhí)行轉(zhuǎn)換。例如，要設(shè)置ADC并使用單端測(cè)量在模擬輸入通道0（AIN0）上生成單次轉(zhuǎn)換，工程師將首先通過(guò)設(shè)置存放器來(lái)配置器件，如下所示：

ADCCON=0x280;//上電ADC，使能參考緩沖器，空閑模式

ADCCHA=0x1100;//選擇AIN0作為正ADC輸入（AIN+）

//和ADC_REFN作為負(fù)ADC輸入（AIN-）

ADCCNVC=0xA00C8;//選擇100kSPSADC更新速率和500ns采集時(shí)間

ADCCON|=0x2;//啟用單次轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換完成后，器件發(fā)出中斷，允許中斷處理程序從ADC輸出存放器ADCDAT0讀取通道0的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

ADuCM320i可以從編程器指定的通道組執(zhí)行指定的測(cè)量序列，從而降低采樣的處理器開銷并優(yōu)化功耗。通過(guò)這種方法，工程師對(duì)ADCSEQ存放器開展編程，以指定要包含在轉(zhuǎn)換序列中的通道，包括通過(guò)設(shè)置其相應(yīng)位或通過(guò)去除其位來(lái)排除該通道的特定通道。

該器件允許工程師利用器件的直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）功能進(jìn)一步降低處理器開銷（和功耗）。在這里，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)器件開展編程，使用ADC或ADC序列發(fā)生器作為DMA控制器的源通道，在完成所選通道或通道序列的轉(zhuǎn)換后，可以自動(dòng)將ADC結(jié)果直接移入SRAM，無(wú)需處理