集成ARM的混合信号如何实现智能传感器

　　摘要：本文通过介绍几种不同的现场仪器仪表的缺点与不足，分析了ARM M3/M4处理器内核与适当的模拟元件集成后，如何实现现场仪器仪表应用的系统级优化。
　　一般而言，新一代嵌入式系统的关键指标包括： 更高的性能、更低的成本、更低的功耗、增加有线和无线连接能力、更小的尺寸以及更高的整体系统效率。 实现上述任意单一目标都不是件容易的事情;因此，涵盖多个指标的解决方案必须依靠多个元件的集成。
　　采用仔细选择的模拟元件、32位ARM处理器内核以及合适的数字外设组合，能以分立式解决方案所无法实现的方式达成这些目标。 影响最大的集成元件有：模拟放大器、ADC、DAC、基准电压源、温度传感器、无线收发器和信号处理加速器。
　　有很多应用领域都具有潜在优势，包括：工业现场仪器仪表应用/精密检测、电机控制、太阳能逆变器等。
　　现场仪器仪表： 过程控制中的低功耗传感器
　　现场仪器仪表是过程控制系统的一部分。后者广泛用于各种领域，比如石油和天然气处理、食品处理、汽车以及半导体制造等。 它们常常部署在恶劣环境下，比如需要远程控制、具有极端温度和安全风险(如爆炸危险)等。 在这些困难条件下，器件必须能够可靠、准确地测量过程变量，如温度、压力和流速。 由于要接触这些设备具有一定的难度，因此未来的趋势是将它们设计得更为智能化，从而更高效地进行通信、自我校准以及更好地诊断问题。 在网络边缘中引入智能是很多应用共有的趋势，助推新一代嵌入式系统的设计目标向更激进的方向发展。 就现场仪器仪表而言，难点在于增加新功能而不增加功耗、尺寸并且不影响测量性能。 在现场仪器仪表中加入新功能的特定例子有：HART调制解调器的通信功能、电子电路诊断功能以及尺寸更大、分辨率更高的显示器。 此外，若要为现场仪器仪表优化模拟微控制器，则必须首先了解行业趋势，然后还要深入理解系统级要求。 拥有系统知识，便可选择正确的集成模块。
　　对于单芯片数据采集子系统来说，从电路级架构角度出发，可以获得大量的系统级优势。 这便为实现激进的功耗、尺寸和性能目标提供了可能性。 实现高效而灵活的现场仪器仪表数据采集方案所需的IP有： 模拟多路复用、仪表放大器、Σ-Δ型ADC、基准电压源、可编程电流源、ARM M3微控制器内核、Flash、定时器、看门狗和数字串行接口。 框图显示针对现场仪器仪表优化的IP，经过集成后，它们可良好地协调工作，从而提供能效与尺寸方面的优势，并允许加入额外功能。
　　大部分现场仪器仪表设备通过双线式模拟环路通信，采用4 mA-20 mA电流信号。 这类环路使用广泛的原因是它们成本低、稳定性高，并且具有噪声抗扰度，不会产生压降。 另外，4 mA-20 mA环路还可用来为现场仪器仪表供电。 这种受限型电源使得仪器仪表对电源十分敏感，即吸取的电流必须低于环路源电流能力的下限4 mA。 具体而言，电流预算为3.5 mA。 现场仪器仪表中全部电子器件的总消耗电流不可超过该值。 对于数据采集元件而言——包括信号放大、模数转换、数字信号处理、诊断、校准和控制——此部分预算需小于2 mA。 从系统角度来理解这个预算，便能针对应用设计并优化集成式模拟微控制器。
　　模拟微控制器中的所有主要IP模块都需针对功耗进行优化，满足2 mA以内的功耗目标。 实现这一目标的关键器件有：仪表放大器、ADC和微控制器子系统。 单个ADC通道的功耗目标为150 uA以内。 对微控制器子系统进行功耗优化时，应当包括对低功耗工作的电路设计优化、对调节时钟频率以控制功耗的能力进行优化，以及对某段时间内不使用的外设的时钟关断进行优化。 这些优化可以实现800 uA以内的功耗，并让内核工作在能够处理全部所需功能的速率下，比如2 MHz。
                               
                　　除了功耗，选择正确的ADC并进行适当配置对于性能和尺寸而言同样十分重要。 系统性能是ADC效果最直观的反映。 ADC精度越高，过程变量的测量结果就越精确。 这最终会提升控制能力和性能。 对于现场仪器仪表而言，16位分辨率是较为常见的要求，Σ-Δ转换器便能很好地满足这种精度要求。


　　在现场仪器仪表设计中，经常会出现两个或更多传感器。 这类应用实例有：温度测量和压力测量。 这对ADC、仪表放大器和多路复用芯片设计的配置都会有影响。 集成两个ADC，就能测量两个过程变量。 采用多路复用可增加输入数量。 对于温度测量而言，可以将一个ADC与热电偶对接，另一个ADC与电阻温度检测器(RTD)对接。 热电偶的电压输出与两个端点之间的温度差成正比， 其一端参考目标(比如极高温金属)，另一端参考电子元件的温度。 第二个ADC用来测量RTD，后者为电子元件提供绝对参考温度。 利用参考温度及其与目标之间的差异，目标温度便能由ARM M3微控制器内核精确计算得出。
　　对于压力测量而言，主ADC测量阻性电桥压力传感器。 第二个ADC测量温度，以便用于温度补偿以及提供整个温度范围内的更佳精度。 灵活的多路复用允许测量静态压力补偿值。
　　需要提供额外功能并保持尺寸与功耗预算不变的一个例子便是HART(可寻址远程传感器高速通道)调制解调器功能。 HART调制解调器采用数字双向通信标准，它在标准4 mA至20 mA模拟环路上调制一个1 mA峰峰值FSK信号。 若要加入这个功能，就必须在总功耗预算中留出裕量。 前文所讨论的优化在这种情况下适用。 另外，还需考虑微控制器子系统。 微控制器内核需实现该性能，同时保持能效以控制HART调制解调器并驱动环路供电型DAC，它还需执行处理测量数据、诊断和校准等任务。
　　选择正确的元件实现芯片级集成和优化固然重要，但开发高效率集成系统还需要掌握目标市场要求与趋势等丰富知识。 系统级目标——比如增加功能而不增加功耗水平与尺寸——要求芯片供应商与最终系统开发商之间展开密切合作。 为了便于展开这种合作，半导体供应商需对电路板级要求具有充分的理解，例如：外形尺寸、温度范围、制造工艺、功耗、成本以及信号链中的补充器件。