集成ARM的混合信號(hào)如何實(shí)現(xiàn)智能傳感器

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

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

　　采用仔細(xì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式達(dá)成這些目標(biāo)。 影響最大的集成元件有：模擬放大器、ADC、DAC、基準(zhǔn)電壓源、溫度傳感器、無(wú)線收發(fā)器和信號(hào)處理加速器。

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

　　現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表： 過(guò)程控制中的低功耗傳感器

　　現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表是過(guò)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(chē)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(yuǎn)程控制、具有極端溫度和安全風(fēng)險(xiǎn)(如爆炸危險(xiǎn))等。 在這些困難條件下，器件必須能夠可靠、準(zhǔn)確地測(cè)量過(guò)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(lái)的趨勢(shì)是將它們?cè)O(shè)計(jì)得更為智能化，從而更高效地進(jìn)行通信、自我校準(zhǔn)以及更好地診斷問(wèn)題。 在網(wǎng)絡(luò)邊緣中引入智能是很多應(yīng)用共有的趨勢(shì)，助推新一代嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)向更激進(jìn)的方向發(fā)展。 就現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表而言，難點(diǎn)在于增加新功能而不增加功耗、尺寸并且不影響測(cè)量性能。 在現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(shì)，然后還要深入理解系統(tǒng)級(jí)要求。 擁有系統(tǒng)知識(shí)，便可選擇正確的集成模塊。

　　對(duì)于單芯片數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，從電路級(jí)架構(gòu)角度出發(fā)，可以獲得大量的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。 這便為實(shí)現(xiàn)激進(jìn)的功耗、尺寸和性能目標(biāo)提供了可能性。 實(shí)現(xiàn)高效而靈活的現(xiàn)場(chǎng)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(zhǔn)電壓源、可編程電流源、ARM M3微控制器內(nèi)核、Flash、定時(shí)器、看門(mén)狗和數(shù)字串行接口。 框圖顯示針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表優(yōu)化的IP，經(jīng)過(guò)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(shì)，并允許加入額外功能。

　　大部分現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表設(shè)備通過(guò)雙線式模擬環(huán)路通信，采用4 mA-20 mA電流信號(hào)。 這類(lèi)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(huì)產(chǎn)生壓降。 另外，4 mA-20 mA環(huán)路還可用來(lái)為現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表供電。 這種受限型電源使得儀器儀表對(duì)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(chǎng)儀器儀表中全部電子器件的總消耗電流不可超過(guò)該值。 對(duì)于數(shù)據(jù)采集元件而言——包括信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理、診斷、校準(zhǔn)和控制——此部分預(yù)算需小于2 mA。 從系統(tǒng)角度來(lái)理解這個(gè)預(yù)算，便能針對(duì)應(yīng)用設(shè)計(jì)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(duì)功耗進(jìn)行優(yōu)化，滿足2 mA以?xún)?nèi)的功耗目標(biāo)。 實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵器件有：儀表放大器、ADC和微控制器子系統(tǒng)。 單個(gè)ADC通道的功耗目標(biāo)為150 uA以?xún)?nèi)。 對(duì)微控制器子系統(tǒng)進(jìn)行功耗優(yōu)化時(shí)，應(yīng)當(dāng)包括對(duì)低功耗工作的電路設(shè)計(jì)優(yōu)化、對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率以控制功耗的能力進(jìn)行優(yōu)化，以及對(duì)某段時(shí)間內(nèi)不使用的外設(shè)的時(shí)鐘關(guān)斷進(jìn)行優(yōu)化。 這些優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)800 uA以?xún)?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。