智能傳感器接口在數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢(shì)

大多數(shù)模擬測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)都相對(duì)比較直接。這種架構(gòu)的核心通常是主機(jī)處理器，用于控制并檢索來自一個(gè)或多個(gè) ADC 的數(shù)據(jù)。在信號(hào)鏈一端向 ADC 饋送數(shù)據(jù)的是主機(jī)控制的傳感器。對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行分析，并明確在不影響性能的情況下需進(jìn)行哪些優(yōu)化，其實(shí)對(duì)我們來說可做的事情并不多。要確定功能塊中需要集成哪些功能并不容易，很難直接控制傳感器前端。此外，我們通常要根據(jù)一系列其他要求預(yù)先確定主機(jī)處理器，這主要是由存儲(chǔ)器大小、CPU 速度等軟件要求決定的。 對(duì)負(fù)責(zé)系統(tǒng)后端的模擬設(shè)計(jì)人員而言，通常只能對(duì) ADC 進(jìn)行優(yōu)化。不過，這時(shí)數(shù)字接口基本已經(jīng)不能變更了，這主要也是由主機(jī)處理器的要求決定的。當(dāng)然，目前非常多的主機(jī)處理器都能實(shí)現(xiàn)極高的性能且具備靈活的集成 ADC 功能，眾多此類微控制器 (MCU) 都能理想地滿足各種應(yīng)用需求。不過，需要再次強(qiáng)調(diào)的是 MCU 的選用是由多種要求決定的，而模擬功能只是其中的一部分。 除了花費(fèi)大量時(shí)間開發(fā)昂貴的 ASIC、承擔(dān)高風(fēng)險(xiǎn)之外，還有沒有別的辦法呢?辦法當(dāng)然是有的。若不將模擬功能與主機(jī)處理器相集成，那么將數(shù)字智能集成至 ADC 中又未嘗不可呢?這就能實(shí)現(xiàn)“更智能化”的設(shè)備，既能充分滿足傳感器前端的模擬性能要求，又具備與系統(tǒng)主機(jī)處理器接口相連的足夠靈活性。這樣做還有更多好處。

圖 1 闡述了這一理念及上述各種方法。

圖 1. 智能 ADC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展 小智慧有大作用毫無疑問，這不是一種新的概念，不過卻經(jīng)常被忽視。只要可能，我們就應(yīng)采用智能 ADC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其發(fā)揮的系統(tǒng)級(jí)影響大大超過此前介紹的范疇。一般說來，設(shè)計(jì)人員考慮的問題包括智能處理器解決方案的物理大小或占用面積，當(dāng)然價(jià)位也是非常重要的因素。價(jià)格通常是大多數(shù)高銷量應(yīng)用的限制因素，這使設(shè)計(jì)人員不得不采取效率較低的、會(huì)影響集成度的獨(dú)立解決方案。 智能 ADC 系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)都能實(shí)現(xiàn)極大的靈活性，這同時(shí)也為軟件開發(fā)提供了極高的靈活性。智能 ADC 解決方案的集成 CPU 和數(shù)字外設(shè)實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單的 A/D 控制和數(shù)據(jù)處理功能。ADC 不僅具有全面可編程性，而且無須與主機(jī) CPU 互動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)空中控制。此外，智能 ADC 還能作為模擬的預(yù)處理器，不僅能捕獲已轉(zhuǎn)換的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而且還能在向系統(tǒng)主機(jī)傳遞數(shù)據(jù)之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這使求數(shù)據(jù)平均值乃至更復(fù)雜的數(shù)據(jù)過濾等功能都得以簡(jiǎn)化。 為了說明上述功能減輕主機(jī)負(fù)荷，我們不妨考慮外部 16 位 ADC 采用 3 線 SPI 接口通信的簡(jiǎn)單例子。主機(jī)不僅要配置 ADC，等待每次轉(zhuǎn)換完成，而且還要檢索每個(gè) 16 位結(jié)果，并處理得出平均值。即便在 ADC 與主機(jī)處理器集成的情況下，能優(yōu)化的也只是數(shù)據(jù)通信。主機(jī)仍要處理數(shù)據(jù)、計(jì)算平均值，并提供所有 ADC 控制和配置功能。 我們不妨將這種簡(jiǎn)單而低效的系統(tǒng)與智能 ADC 系統(tǒng)相比較，智能系統(tǒng)采用相同的主機(jī)功能，但主機(jī)只需從“智能” ADC 中檢索數(shù)據(jù)。所有 ADC 控制功能和預(yù)處理的數(shù)據(jù)以及平均值計(jì)算都由智能 ADC 完成，從而解放了主機(jī)，使其能從事更高級(jí)的功能，并使最終應(yīng)用受益。 智能化程度更高的 MCU 是解決之道 超低功耗 MSP430F2013 MCU 就是此類智能型 ADC 的一個(gè)優(yōu)秀典范。所有的 ADC 控制和數(shù)據(jù)處理均無需主機(jī)完成，從而不僅提高了靈活性，而且還加強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的效率。這乍看起來似乎對(duì)降低成本、提高存儲(chǔ)器容量以及 CPU 吞吐量等方面沒什么大用，但是我們需考慮到，有的任務(wù)每秒必須要處理數(shù)十次、上百次，乃至上千次。因此，智能 ADC 所能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)是極為明顯的，但如果設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中只考慮采用簡(jiǎn)單 ADC 的話，那么就會(huì)讓主機(jī)不得不處理大量的數(shù)據(jù)采集工作，造成無謂的消耗。 智能程度更高的 ADC 所帶來的優(yōu)勢(shì)和功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 A/D 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理的范疇。在更高的層面上，MSP430F2013 的 2KB 片上閃存存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以及針對(duì)溫度變化的傳感器補(bǔ)差表，補(bǔ)償傳感器采樣信息的不足。此外，閃存與 128B RAM 還能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)日志和多采樣緩沖。系統(tǒng)主機(jī)可用剩余的可用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)其他各種數(shù)據(jù)。 至主機(jī)或 LED 指示器、開關(guān)或外部數(shù)字時(shí)鐘等其他系統(tǒng)元素的接口具有多達(dá) 10 個(gè)通用 I/O 連接，因此顯著實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化?？商幚?SPI 或 I2C 協(xié)議的內(nèi)置通信接口可提供簡(jiǎn)單而優(yōu)化的可定制主機(jī)數(shù)據(jù)端口。 MSP430 超低功耗架構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一也進(jìn)一步擴(kuò)展到了系統(tǒng)模擬領(lǐng)域，能實(shí)現(xiàn)非常靈活且易于管理的電源架構(gòu)，從而充分滿足電流需要。由于處理器從亞微安培待機(jī)電流的喚醒時(shí)間不到 1 微秒，因此該解決方案有助于我們大幅降低平均系統(tǒng)功耗要求。

圖 2 顯示了有關(guān)系統(tǒng)如何利用主機(jī)和智能ADC的概念。

圖 2. 智能 ADC 的系統(tǒng)架構(gòu) 結(jié)論性的設(shè)想 如果您下次設(shè)計(jì)混合信號(hào)應(yīng)用時(shí)要采用外接 ADC，那么不妨考慮一下各種選擇。采用簡(jiǎn)單的外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器可能并不是最好的解決方案，特別是當(dāng)采用智能 ADC 較為合適時(shí)更是如此。 “智能傳感器接口”能夠?qū)?16 位 CPU 與 16 位 ADC 的處理能力完美結(jié)合在一起，從而大幅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，尤其是在解決方案體積較小時(shí)優(yōu)勢(shì)更為顯著，而且其成本基本相當(dāng)于專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器解決方案，有時(shí)甚至還會(huì)更低。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)還能擴(kuò)展到其他設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如降低功耗、提高系統(tǒng)可升級(jí)性以及實(shí)現(xiàn)最終設(shè)備的差異化創(chuàng)新等。