智能傳感器接口的優(yōu)勢

采用智能化更高的傳感器接口能將16位的高性能CPU與16位ADC的處理功能相結(jié)合，從而大幅簡化設(shè)計工作，尤其是在集成解決方案體積較小、價格較低的時候更是如此。本文將重點介紹上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)的各種優(yōu)勢，其中包括更低功耗、更小體積、更少的主機CPU負(fù)載、功能齊備以及傳輸中可配置性等。

為什么要尋找“更智能化”的解決方案

對負(fù)責(zé)系統(tǒng)后端的模擬設(shè)計人員而言，通常只能對ADC進(jìn)行優(yōu)化。不過，這時數(shù)字接口基本已經(jīng)不能變更了。當(dāng)然，非常多的主機處理器都具備極高的性能且集成了靈活的ADC功能，而許多MCU都能理想地滿足各種應(yīng)用需求。不過需要再次強調(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。

除了花費大量時間開發(fā)昂貴的ASIC、承擔(dān)高風(fēng)險之外，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)主機處理器接口相連的足夠靈活性。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)，其對系統(tǒng)的影響大大超過此前介紹的范疇。一般說來，設(shè)計人員考慮的問題包括智能處理器解決方案的大小或占板面積，當(dāng)然價位也是非常重要的因素。價格通常是大多數(shù)高銷量應(yīng)用的限制因素，這使設(shè)計人員不得不采取效率較低的、會影響集成度的獨立解決方案。

智能ADC系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢在于，數(shù)字和模擬設(shè)計都具備極大的靈活性，這同時也為軟件開發(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)實現(xiàn)了更簡單的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CPU 互動就能實現(xiàn)傳輸中控制。此外，智能ADC作為模擬信號的預(yù)處理器，不僅能捕獲已轉(zhuǎn)換的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，還能在向系統(tǒng)主機傳遞數(shù)據(jù)之前對數(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化。

為了說明上述功能減輕主機負(fù)荷，我們不妨考慮外部16位ADC采用3線SPI接口通信的簡單例子。主機不僅要配置ADC，等待轉(zhuǎn)換完成，還要檢索每個16 位結(jié)果，并處理得出平均值。即便在ADC與主機處理器集成的情況下，能優(yōu)化的也只是數(shù)據(jù)通信。主機仍要處理數(shù)據(jù)、計算平均值，并提供所有 ADC 控制和配置功能。

我們不妨將這種簡單而低效的系統(tǒng)與智能 ADC 系統(tǒng)相比較，智能系統(tǒng)具備相同的主機功能，但主機只需從“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)以及平均值計算都由智能ADC完成，從而解放了主機，使其能從事更高級的功能。

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的一個優(yōu)秀典范。所有的ADC控制和數(shù)據(jù)處理均無需主機完成，不僅提高了靈活性，而且還加強了整個系統(tǒng)的效率。這乍看起來似乎對降低成本、提高存儲器容量以及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所能實現(xiàn)的優(yōu)勢是極為明顯的。

智能程度更高的ADC所帶來的優(yōu)勢和功能遠(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片上存儲器可存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以及針對溫度變化的傳感器補差表，補償傳感器采樣信息的不足。此外，閃存與128B RAM還能存儲數(shù)據(jù)日志和多采樣緩沖。系統(tǒng)主機可用剩余的存儲器存儲其他各種數(shù)據(jù)。

MSP430超低功耗架構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢之一也進(jìn)一步擴展到了系統(tǒng)模擬領(lǐng)域，能實現(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。由于處理器的喚醒時間不到1μs，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)計混合信號應(yīng)用時要采用外接ADC，那么不妨考慮一下各種選擇。采用簡單的外部模數(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較為合適時更是如此。

“智能傳感器接口”能夠?qū)?6位CPU與16位ADC的處理能力完美結(jié)合在一起，從而大幅簡化設(shè)計工作，尤其是在解決方案體積較小時優(yōu)勢更為顯著；而且其成本基本相當(dāng)于專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器解決方案，有時甚至還會更低。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢還能擴展到其他設(shè)計領(lǐng)域，如降低功耗、提高系統(tǒng)可升級性以及實現(xiàn)最終設(shè)備的差異化創(chuàng)新等。