智能傳感器接口在數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢

　　大多數(shù)模擬測量系統(tǒng)的系統(tǒng)架構都相對比較直接。這種架構的核心通常是主機處理器，用于控制并檢索來自一個或多個 ADC 的數(shù)據(jù)。在信號鏈一端向 ADC 饋送數(shù)據(jù)的是主機控制的傳感器。對上述系統(tǒng)進行分析，并明確在不影響性能的情況下需進行哪些優(yōu)化，其實對我們來說可做的事情并不多。要確定功能塊中需要集成哪些功能并不容易，很難直接控制傳感器前端。此外，我們通常要根據(jù)一系列其他要求預先確定主機處理器，這主要是由存儲器大小、CPU 速度等軟件要求決定的。 對負責系統(tǒng)后端的模擬設計人員而言，通常只能對 ADC 進行優(yōu)化。不過，這時數(shù)字接口基本已經(jīng)不能變更了，這主要也是由主機處理器的要求決定的。當然，目前非常多的主機處理器都能實現(xiàn)極高的性能且具備靈活的集成 ADC 功能，眾多此類微控制器 (MCU) 都能理想地滿足各種應用需求。不過，需要再次強調的是 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、承擔高風險之外，還有沒有別的辦法呢?辦法當然是有的。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。這樣做還有更多好處。

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，我們就應采用智能 ADC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其發(fā)揮的系統(tǒng)級影響大大超過此前介紹的范疇。一般說來，設計人員考慮的問題包括智能處理器解決方案的物理大小或占用面積，當然價位也是非常重要的因素。價格通常是大多數(shù)高銷量應用的限制因素，這使設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)架構的優(yōu)勢在于，數(shù)字和模擬設計都能實現(xiàn)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)空中控制。此外，智能 ADC 還能作為模擬的預處理器，不僅能捕獲已轉換的數(shù)字數(shù)據(jù)，而且還能在向系統(tǒng)主機傳遞數(shù)據(jù)之前對數(shù)據(jù)進行處理。這使求數(shù)據(jù)平均值乃至更復雜的數(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，等待每次轉換完成，而且還要檢索每個 16 位結果，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)采用相同的主機功能，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，并使最終應用受益。 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，從而不僅提高了靈活性，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，但如果設計人員在系統(tǒng)設計過程中只考慮采用簡單 ADC 的話，那么就會讓主機不得不處理大量的數(shù)據(jù)采集工作，造成無謂的消耗。 智能程度更高的 ADC 所帶來的優(yōu)勢和功能遠遠超出了 A/D 轉換及數(shù)據(jù)處理的范疇。在更高的層面上，MSP430F2013 的 2KB 片上閃存存儲器可存儲校準數(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)主機可用剩余的可用存儲器存儲其他各種數(shù)據(jù)。 至主機或 LED 指示器、開關或外部數(shù)字時鐘等其他系統(tǒng)元素的接口具有多達 10 個通用 I/O 連接，因此顯著實現(xiàn)了簡化?？商幚?SPI 或 I2C 協(xié)議的內置通信接口可提供簡單而優(yōu)化的可定制主機數(shù)據(jù)端口。 MSP430 超低功耗架構的關鍵優(yōu)勢之一也進一步擴展到了系統(tǒng)模擬領域，能實現(xiàn)非常靈活且易于管理的電源架構，從而充分滿足電流需要。由于處理器從亞微安培待機電流的喚醒時間不到 1 微秒，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 結論性的設想 如果您下次設計混合信號應用時要采用外接 ADC，那么不妨考慮一下各種選擇。采用簡單的外部模數(shù)轉換器可能并不是最好的解決方案，特別是當采用智能 ADC 較為合適時更是如此。 “智能傳感器接口”能夠將 16 位 CPU 與 16 位 ADC 的處理能力完美結合在一起，從而大幅簡化了設計工作，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于專用模數(shù)轉換器解決方案，有時甚至還會更低。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構的優(yōu)勢還能擴展到其他設計領域，如降低功耗、提高系統(tǒng)可升級性以及實現(xiàn)最終設備的差異化創(chuàng)新等。