基于最新精密模擬微控制器&電子化學傳感器打造智能環(huán)境監(jiān)測應用

現(xiàn)實世界中越來越多使用化學分析儀器進行測試和測量，從而為人類造福。這包括諸如環(huán)境空氣和水質監(jiān)測、為提高食品質量而進行的材料和產品分析，以及石油和地球物理探勘、深?？茖W探索等應用。

實施這些技術的分析方法應根據(jù)樣本類型和測量特性進行選擇，具體包括光譜學、光譜測定法和電化學法等，準確、高可信度的檢測、識別和特性鑒定取決于精確感應能力和電子產品，其中高性能信號鏈、傳感器、電源和處理器解決方案能確保檢測極限和精度不會受到電子產品設計的制約。本文將結合全球高性能模擬技術提供商ADI最新發(fā)布的高性能模擬前端芯片ADuCM355，談談氣體與水質檢測等應用。

ADuCM355 精密模擬微控制器。

電化學和生物傳感器的“最佳搭檔”——ADuCM355

ADuCM355是ADI在一年前發(fā)布的一款最新片內系統(tǒng)，可控制和測量電化學傳感器和生物傳感器，是一款基于Arm? Cortex?-M3處理器的超低功耗、混合信號微控制器，具有的電流、電壓和阻抗測量功能特別適合電化學傳感器和生物傳感器信號采集測量和控制。

ADuCM355內置集成輸入緩沖器的16位、400 kSPS多通道逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉換器、抗混疊濾波器(AAF)和可編程增益放大器(PGA)。電流輸入包括三個具有可編程增益的跨導放大器(TIA)和用于測量不同傳感器類型的負載電阻。模擬前端還包含兩個專門針對恒電勢器能力而設計的低功耗放大器，使外部電化學傳感器保持恒定的偏置電壓。這兩個放大器的同相輸入由片內雙通道輸出數(shù)模轉換器(DAC)進行控制。模擬輸出包括高速DAC和用于產生交流信號的輸出放大器。

基于ADuCM355的電化學有毒氣體監(jiān)測應用電路原理圖。

ADC的轉換速率最高可達400 kSPS，且具有?0.9 V至+0.9 V輸入范圍。ADC前面的輸入復用器允許用戶選擇輸入通道進行測量。這些輸入通道包括三個外部電流輸入、多個外部電壓輸入和內部通道。利用內部通道，可對內部電源電壓、裸片溫度和基準電壓源進行診斷測量。

該混合信號微控制器集成了三個電壓DAC中有兩個是雙通道輸出、12位電阻串DAC。每個DAC的一個輸出可控制恒電勢器放大器的同相輸入，另一個控制TIA的同相輸入。第三個DAC（有時被稱為高速DAC）針對用于阻抗測量的高功率TIA而設計。此DAC的輸出頻率范圍高達200 kHz。

作為可實現(xiàn)新一代智能電子化學傳感器的新型傳感器接口IC，ADuCM355帶有生物傳感器和化學傳感器接口，是目前能夠在單個芯片上同時實現(xiàn)恒電位儀和電化學阻抗頻譜分析儀(EIS)功能的唯一解決方案，是工業(yè)氣體檢測、儀器儀表、生命體征監(jiān)測和疾病管理等應用的理想解決方案。

基于ADuCM355打造全面的監(jiān)測應用

隨著全球環(huán)保意識的空前高漲，特別是中國政府對環(huán)境監(jiān)測和保護的決心增強，換將監(jiān)測產業(yè)迎來發(fā)展良機，其中空氣監(jiān)測、水質監(jiān)測、土壤監(jiān)測的市場機會猛然增加。此外，食物安全和健康產業(yè)相關的監(jiān)測應用也日益顯著增長。ADuCM355憑借其獨特的傳感器接口功能和片上配置資源，特別瞄準了氣體探測、食品質量監(jiān)測、環(huán)境檢測（空氣、水和土壤），以及血糖儀、生命科學和生物感測分析和生物阻抗測量等應用。

ADI公司在2018國際電子展覽會上展出的基于ADuCM355的氣體監(jiān)測演示模板。

ADI公司在2018國際電子展覽會上展出的基于ADuCM355用于電化學氣體感測的新款全集成信號鏈解決方案。如上圖所示。展示ADuCM355的氣體檢測功能，該參考設計與Arduino兼容，可以測量多達4個電化學傳感器。在展示現(xiàn)場設置檢測兩種氣體，分別是氧氣和一氧化碳，通過采用一氧化碳探測器噴霧器進行傳感器激發(fā)，可以在屏幕上直接觀察到靈敏準確的結果。

作為一款非常適合電化學氣體檢測應用的單芯片解決方案，借助ADuCM355能夠快速制作出氣體檢測解決方案原型，其集成了兩個穩(wěn)壓器D/A和A/D轉換器，以及Cortex-M3微控制器，它還配有阻抗光譜引擎，可以對電化學傳感器執(zhí)行板載診斷，有助于延長傳感器的使用壽命并檢測其運行狀況。該器件集成了行業(yè)最先進的傳感器診斷技術，具有卓越的低噪聲和低功耗性能，并且尺寸最小。傳統(tǒng)的分立式解決方案往往具有一些局限性，并且需要多個IC才能實現(xiàn)類似性能，相比之下，ADI的新型微控制器平臺能夠提供更高的可靠性和極大靈活性，并且可以顯著節(jié)約成本。

Honeywell 工業(yè)安全便攜氣體檢測儀

現(xiàn)場還展示了一款Honeywell 工業(yè)安全便攜氣體檢測部開發(fā)的氣體監(jiān)測便攜產品，該產品獨特地結合了實現(xiàn)新一代便攜式氣體檢測器所需的高性能、超低功耗、小尺寸和先進的特性組合，利用ADuCM355這個平臺解決方案實現(xiàn)了可靠氣體檢測的新標準本。

事實上，這款精密模擬微控制器還同時適用于儀器儀表和生命體征監(jiān)測，例如荷蘭恒電位儀的生產商Palmsens就是一家致力于為客戶打造更簡單、更易攜帶和使用的電子化學產品，該公司發(fā)布的EmStatPico是全球最小的通用電子化學接口模塊，即以ADuCM355 為核心打造的一套完整的硬件和軟件設計平臺，可實現(xiàn)分鐘級測量，非常適合便攜式、可穿戴式和空間受限的傳感器應用的開發(fā)。