新一代智能氣體檢測方案

隨著電化學(xué)傳感器技術(shù)的發(fā)展，萬物互聯(lián)時(shí)代的到來，市場對于相關(guān)檢測產(chǎn)品小型化、數(shù)字智能化的需求也愈發(fā)顯著。作為單芯片解決方案，信號鏈集成內(nèi)置診斷功能將使傳感器被更廣泛地使用，同時(shí)提高準(zhǔn)確性，延長傳感器壽命，降低維護(hù)成本。

技術(shù)型分銷商Excelpoint世健公司的工程師Ethan Li推薦了ADI一款集成化學(xué)傳感器接口的精密模擬微控制器ADuCM355。他詳細(xì)闡述了ADuCM355氣體檢測方案與傳統(tǒng)方案相比的優(yōu)勢，以及設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)和相關(guān)開發(fā)資源。

ADuCM355 SOC片上系統(tǒng)的架構(gòu)與特性

圖1 ADUCM355片內(nèi)架構(gòu)圖

圖2 ADuCM355 AFE DIE≈AD5940/1

如圖1所示ADuCM355的結(jié)構(gòu)架構(gòu)圖，實(shí)際是=兩個(gè)DIE封裝的技術(shù)架構(gòu)，DIE1≈模擬前端AD5940/1，DIE2=MCU=ADUCM3029。

如圖2，ADucM355 AFE的功能框圖架構(gòu)與AD594X一樣。但ADuCM355模擬資源較AD594X會(huì)多一些。

√   ADuCM355 AFE模擬前端

●   LOW BANDWIDTH LOOP 低帶寬回路

   ◎   兩個(gè)雙通道輸出電壓DAC

   ◎   兩個(gè)低功耗、低噪聲放大器（AD594X=1個(gè)）

   ◎   兩個(gè)低功耗、低噪聲TIA（AD594X=1個(gè)）

   ◎   可編程負(fù)載和增益電阻

●   HIGH BANDWIDTH LOOP 高帶寬回路

   ◎   1個(gè)高速12位電壓DAC

   ◎   1個(gè)用于阻抗測量的高速TIA

   ◎   輸出上的可編程增益放大器

   ◎   阻抗測量范圍：<1 Ω至10 MΩ， 0.016 Hz至200,000 Hz

●   模擬輸入/輸出

   ◎   16 位、400 kSPS ADC 電壓

   ◎   內(nèi)部和外部電流和電壓通道

   ◎   超低泄漏開關(guān)矩陣和輸入多路復(fù)用器

   ◎   輸入緩沖器，PGA

●   2.5 V 和 1.82 V 片內(nèi)精密基準(zhǔn)電壓源

●   模擬硬件加速器

   ◎   數(shù)字波形發(fā)生器

   ◎   DFT 和數(shù)字濾波器

●   內(nèi)部溫度傳感器，±2°C精度

√   微處理器

●   26 MHz Arm Cortex-M3處理器

●   串行線端口支持代碼下載和調(diào)試

●   128 kB閃存/64 kB SRAM

●   UART、I2C和SPI串行輸入/輸出

●   最多17個(gè)GPIO引腳

●   通用、喚醒和看門狗定時(shí)器

ADuCM355氣體檢測SOC方案優(yōu)勢

1. 高集成度-降低信號鏈設(shè)計(jì)復(fù)雜性

圖3 典型傳統(tǒng)的電化學(xué)氣體檢測信號鏈

圖4 ADuCM355電化學(xué)氣體檢測信號鏈

通過對ADuCM355內(nèi)部架構(gòu)的了解。以及圖3&4、傳統(tǒng)電化學(xué)氣體檢測方案與ADuCM355方案的對比，ADuCM355方案優(yōu)勢：高度集成化、數(shù)字化。Ethan介紹，世健公司前期與山東某知名便攜式環(huán)保企業(yè)工程師推廣交流，高集成度是他們導(dǎo)入ADuCM355方案評估的最重要因素。

2. 超低功耗

如常見的三電極電化學(xué)傳感器，根據(jù)電化學(xué)傳感器工作原理，12位VDAC輸出通過圖5所示的恒電勢器電路設(shè)置參考電極引腳上的電壓。CE引腳和RE引腳上的電壓稱為VBIAS。6位輸出設(shè)置LPTIA_P節(jié)點(diǎn)上的偏置電壓；此輸出設(shè)置感應(yīng)電極引腳SE上的電壓。該電壓稱為VZERO。傳感器上的VBIAS偏置電壓實(shí)際上是12位輸出和6位輸出之間的差值。低功耗模式下，在連接低帶寬回路傳感器非測量狀態(tài)BIAS模式下，這個(gè)系統(tǒng)電路可以做到8uA的超低功耗。傳感器工作測量時(shí)4.9mA。

圖5 低帶寬回路保持EC參考極的偏置電壓

3. 高測量精度

電化學(xué)傳感器連接ADuCM355低帶寬回路，輸出非常小的電流經(jīng)低功耗（LPTIA TIA支持200?至512k?的可編程增益電阻）轉(zhuǎn)換為可由ADC測量的電壓信號。16BIT高分辨率 SAR ADC，內(nèi)部高精度20ppm 1.82Vref作為ADC基準(zhǔn)源，加以可編程的數(shù)字濾波器，可做到如圖6高達(dá)15BIT有效位數(shù)的采集精度。

圖6 ADC ENOB，基于RMS噪聲

4. 可診斷可預(yù)測型-電化學(xué)阻抗譜分析

隨著電化學(xué)應(yīng)用的發(fā)展，執(zhí)行診斷測量具有重要價(jià)值。電化學(xué)阻抗譜分析如圖7 ADuCM355高帶寬回路HPDAC輸出頻率可高達(dá)200Khz交流信號激勵(lì)傳感器，配合復(fù)數(shù)阻抗測量(DFT)引擎，可幫助客戶有效的診斷傳感器的健康狀態(tài)。

對于某些類型的傳感器，在阻抗測量期間必須保持傳感器上的直流偏置。交流信號的電平通過低功耗DAC 的VBIAS電壓輸出設(shè)置，SE上的電壓由VZERO電壓維持。還必須通過設(shè)置AFECON位21來使能高速DAC直流緩沖器。

圖7 High Bandwidth Loop 高帶寬回路比例法測量EC阻抗

ADuCM355設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境

圖8 硬件連接、可支持電化學(xué)傳感器

IAR 軟件開發(fā)調(diào)試環(huán)境，ADI可提供ADuCM355全套參考代碼。如圖10所示 355_ECSns_2E code，可直接燒錄評估，配合硬件參考手冊，根據(jù)實(shí)際需求，個(gè)性化開發(fā)。

圖10 ADI ADuCM355參考代碼資源

Ethan還表示，ADI可提供豐富的參考設(shè)計(jì)代碼，縮短開發(fā)周期。ADuCM355方案在新一代電化學(xué)氣體檢測應(yīng)用的產(chǎn)品中擁有強(qiáng)大的優(yōu)勢、潛力，在世健公司的支持下，山東區(qū)域幾家環(huán)保企業(yè)已陸續(xù)導(dǎo)入評估ADuCM355、AD5941氣體檢測方案，已有成功應(yīng)用案例，等待產(chǎn)品量產(chǎn)上市。