集成ARM的混合信號如何實現智能傳感器

摘要：本文通過介紹幾種不同的現場儀器儀表的缺點與不足，分析了ARM M3/M4處理器內核與適當的模擬元件集成后，如何實現現場儀器儀表應用的系統級優化。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/266061. htm

關鍵詞：ARM；現場儀器儀表；傳感器

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.11.018

一般而言，新一代嵌入式系統的關鍵指標包括： 更高的性能、更低的成本、更低的功耗、增加有線和無線連接能力、更小的尺寸以及更高的整體系統效率。 實現上述任意單一目標都不是件容易的事情；因此，涵蓋多個指標的解決方案必須依靠多個元件的集成。

采用仔細選擇的模擬元件、32位ARM處理器內核以及合適的數字外設組合，能以分立式解決方案所無法實現的方式達成這些目標。 影響最大的集成元件有：模擬放大器、ADC、DAC、基準電壓源、溫度傳感器、無線收發器和信號處理加速器。

有很多應用領域都具有潛在優勢，包括：工業現場儀器儀表應用/精密檢測、電機控制、太陽能逆變器等。

現場儀器儀表： 過程控制中的低功耗傳感器

現場儀器儀表是過程控制系統的一部分。后者廣泛用于各種領域，比如石油和天然氣處理、食品處理、汽車以及半導體制造等。 它們常常部署在惡劣環境下，比如需要遠程控制、具有極端溫度和安全風險（如爆炸危險）等。 在這些困難條件下，器件必須能夠可靠、準確地測量過程變量，如溫度、壓力和流速。 由于要接觸這些設備具有一定的難度，因此未來的趨勢是將它們設計得更為智能化，從而更高效地進行通信、自我校準以及更好地診斷問題。 在網絡邊緣中引入智能是很多應用共有的趨勢，助推新一代嵌入式系統的設計目標向更激進的方向發展。 就現場儀器儀表而言，難點在于增加新功能而不增加功耗、尺寸并且不影響測量性能。 在現場儀器儀表中加入新功能的特定例子有：HART調制解調器的通信功能、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，若要為現場儀器儀表優化模擬微控制器，則必須首先了解行業趨勢，然后還要深入理解系統級要求。 擁有系統知識，便可選擇正確的集成模塊。

對于單芯片數據采集子系統來說，從電路級架構角度出發，可以獲得大量的系統級優勢。 這便為實現激進的功耗、尺寸和性能目標提供了可能性。 實現高效而靈活的現場儀器儀表數據采集方案所需的IP有： 模擬多路復用、儀表放大器、Σ-Δ型ADC、基準電壓源、可編程電流源、ARM M3微控制器內核、Flash、定時器、看門狗和數字串行接口。 框圖顯示針對現場儀器儀表優化的IP，經過集成后，它們可良好地協調工作，從而提供能效與尺寸方面的優勢，并允許加入額外功能。

大部分現場儀器儀表設備通過雙線式模擬環路通信，采用4 mA-20 mA電流信號。 這類環路使用廣泛的原因是它們成本低、穩定性高，并且具有噪聲抗擾度，不會產生壓降。 另外，4 mA-20 mA環路還可用來為現場儀器儀表供電。 這種受限型電源使得儀器儀表對電源十分敏感，即吸取的電流必須低于環路源電流能力的下限4 mA。 具體而言，電流預算為3.5 mA。 現場儀器儀表中全部電子器件的總消耗電流不可超過該值。 對于數據采集元件而言——包括信號放大、模數轉換、數字信號處理、診斷、校準和控制——此部分預算需小于2 mA。 從系統角度來理解這個預算，便能針對應用設計并優化集成式模擬微控制器。

模擬微控制器中的所有主要IP模塊都需針對功耗進行優化，滿足2 mA以內的功耗目標。 實現這一目標的關鍵器件有：儀表放大器、ADC和微控制器子系統。 單個ADC通道的功耗目標為150 uA以內。 對微控制器子系統進行功耗優化時，應當包括對低功耗工作的電路設計優化、對調節時鐘頻率以控制功耗的能力進行優化，以及對某段時間內不使用的外設的時鐘關斷進行優化。 這些優化可以實現800 uA以內的功耗，并讓內核工作在能夠處理全部所需功能的速率下，比如2 MHz。

除了功耗，選擇正確的ADC并進行適當配置對于性能和尺寸而言同樣十分重要。 系統性能是ADC效果最直觀的反映。 ADC精度越高，過程變量的測量結果就越精確。 這最終會提升控制能力和性能。 對于現場儀器儀表而言，16位分辨率是較為常見的要求，Σ-Δ轉換器便能很好地滿足這種精度要求。

在現場儀器儀表設計中，經常會出現兩個或更多傳感器。 這類應用實例有：溫度測量和壓力測量。 這對ADC、儀表放大器和多路復用芯片設計的配置都會有影響。 集成兩個ADC，就能測量兩個過程變量。 采用多路復用可增加輸入數量。 對于溫度測量而言，可以將一個ADC與熱電偶對接，另一個ADC與電阻溫度檢測器（RTD）對接。 熱電偶的電壓輸出與兩個端點之間的溫度差成正比， 其一端參考目標（比如極高溫金屬），另一端參考電子元件的溫度。 第二個ADC用來測量RTD，后者為電子元件提供絕對參考溫度。 利用參考溫度及其與目標之間的差異，目標溫度便能由ARM M3微控制器內核精確計算得出。

對于壓力測量而言，主ADC測量阻性電橋壓力傳感器。第二個ADC測量溫度，以便用于溫度補償以及提供整個溫度范圍內的更佳精度。 靈活的多路復用允許測量靜態壓力補償值。

需要提供額外功能并保持尺寸與功耗預算不變的一個例子便是HART（可尋址遠程傳感器高速通道）調制解調器功能。 HART調制解調器采用數字雙向通信標準，它在標準4 mA至20 mA模擬環路上調制一個1 mA峰峰值FSK信號。 若要加入這個功能，就必須在總功耗預算中留出裕量。 前文所討論的優化在這種情況下適用。 另外，還需考慮微控制器子系統。 微控制器內核需實現該性能，同時保持能效以控制HART調制解調器并驅動環路供電型DAC，它還需執行處理測量數據、診斷和校準等任務。

選擇正確的元件實現芯片級集成和優化固然重要，但開發高效率集成系統還需要掌握目標市場要求與趨勢等豐富知識。 系統級目標——比如增加功能而不增加功耗水平與尺寸——要求芯片供應商與最終系統開發商之間展開密切合作。 為了便于展開這種合作，半導體供應商需對電路板級要求具有充分的理解，例如：外形尺寸、溫度范圍、制造工藝、功耗、成本以及信號鏈中的補充器件。