集成ARM的混合信號如何實現(xiàn)智能傳感器

　　摘要：本文通過介紹幾種不同的現(xiàn)場儀器儀表的缺點與不足，分析了ARM M3/M4處理器內(nèi)核與適當?shù)哪M元件集成后，如何實現(xiàn)現(xiàn)場儀器儀表應(yīng)用的系統(tǒng)級優(yōu)化。

　　一般而言，新一代嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵指標包括： 更高的性能、更低的成本、更低的功耗、增加有線和無線連接能力、更小的尺寸以及更高的整體系統(tǒng)效率。 實現(xiàn)上述任意單一目標都不是件容易的事情;因此，涵蓋多個指標的解決方案必須依靠多個元件的集成。

　　采用仔細選擇的模擬元件、32位ARM處理器內(nèi)核以及合適的數(shù)字外設(shè)組合，能以分立式解決方案所無法實現(xiàn)的方式達成這些目標。 影響最大的集成元件有：模擬放大器、ADC、DAC、基準電壓源、溫度傳感器、無線收發(fā)器和信號處理加速器。

　　有很多應(yīng)用領(lǐng)域都具有潛在優(yōu)勢，包括：工業(yè)現(xiàn)場儀器儀表應(yīng)用/精密檢測、電機控制、太陽能逆變器等。

　　現(xiàn)場儀器儀表： 過程控制中的低功耗傳感器

　　現(xiàn)場儀器儀表是過程控制系統(tǒng)的一部分。后者廣泛用于各種領(lǐng)域，比如石油和天然氣處理、食品處理、汽車以及半導(dǎo)體制造等。 它們常常部署在惡劣環(huán)境下，比如需要遠程控制、具有極端溫度和安全風(fēng)險(如爆炸危險)等。 在這些困難條件下，器件必須能夠可靠、準確地測量過程變量，如溫度、壓力和流速。 由于要接觸這些設(shè)備具有一定的難度，因此未來的趨勢是將它們設(shè)計得更為智能化，從而更高效地進行通信、自我校準以及更好地診斷問題。 在網(wǎng)絡(luò)邊緣中引入智能是很多應(yīng)用共有的趨勢，助推新一代嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計目標向更激進的方向發(fā)展。 就現(xiàn)場儀器儀表而言，難點在于增加新功能而不增加功耗、尺寸并且不影響測量性能。 在現(xiàn)場儀器儀表中加入新功能的特定例子有：HART調(diào)制解調(diào)器的通信功能、電子電路診斷功能以及尺寸更大、分辨率更高的顯示器。 此外，若要為現(xiàn)場儀器儀表優(yōu)化模擬微控制器，則必須首先了解行業(yè)趨勢，然后還要深入理解系統(tǒng)級要求。 擁有系統(tǒng)知識，便可選擇正確的集成模塊。

　　對于單芯片數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)來說，從電路級架構(gòu)角度出發(fā)，可以獲得大量的系統(tǒng)級優(yōu)勢。 這便為實現(xiàn)激進的功耗、尺寸和性能目標提供了可能性。 實現(xiàn)高效而靈活的現(xiàn)場儀器儀表數(shù)據(jù)采集方案所需的IP有： 模擬多路復(fù)用、儀表放大器、Σ-Δ型ADC、基準電壓源、可編程電流源、ARM M3微控制器內(nèi)核、Flash、定時器、看門狗和數(shù)字串行接口。 框圖顯示針對現(xiàn)場儀器儀表優(yōu)化的IP，經(jīng)過集成后，它們可良好地協(xié)調(diào)工作，從而提供能效與尺寸方面的優(yōu)勢，并允許加入額外功能。

　　大部分現(xiàn)場儀器儀表設(shè)備通過雙線式模擬環(huán)路通信，采用4 mA-20 mA電流信號。 這類環(huán)路使用廣泛的原因是它們成本低、穩(wěn)定性高，并且具有噪聲抗擾度，不會產(chǎn)生壓降。 另外，4 mA-20 mA環(huán)路還可用來為現(xiàn)場儀器儀表供電。 這種受限型電源使得儀器儀表對電源十分敏感，即吸取的電流必須低于環(huán)路源電流能力的下限4 mA。 具體而言，電流預(yù)算為3.5 mA。 現(xiàn)場儀器儀表中全部電子器件的總消耗電流不可超過該值。 對于數(shù)據(jù)采集元件而言——包括信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理、診斷、校準和控制——此部分預(yù)算需小于2 mA。 從系統(tǒng)角度來理解這個預(yù)算，便能針對應(yīng)用設(shè)計并優(yōu)化集成式模擬微控制器。

　　模擬微控制器中的所有主要IP模塊都需針對功耗進行優(yōu)化，滿足2 mA以內(nèi)的功耗目標。 實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵器件有：儀表放大器、ADC和微控制器子系統(tǒng)。 單個ADC通道的功耗目標為150 uA以內(nèi)。 對微控制器子系統(tǒng)進行功耗優(yōu)化時，應(yīng)當包括對低功耗工作的電路設(shè)計優(yōu)化、對調(diào)節(jié)時鐘頻率以控制功耗的能力進行優(yōu)化，以及對某段時間內(nèi)不使用的外設(shè)的時鐘關(guān)斷進行優(yōu)化。 這些優(yōu)化可以實現(xiàn)800 uA以內(nèi)的功耗，并讓內(nèi)核工作在能夠處理全部所需功能的速率下，比如2 MHz。