滿足物聯(lián)網(wǎng)低功耗設(shè)計(jì)的傳感器融合

傳感器融合幾乎是不言自明的，因?yàn)樗Y(jié)合了來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，以便在比單個(gè)傳感器通?？赡艿母鼜V泛的環(huán)境中提供信息。然而，解釋它和做它之間有一個(gè)明顯的區(qū)別 - 可靠。如果沒有這些傳感器讀數(shù)的緊密同步，傳感器融合算法很快就會(huì)失去準(zhǔn)確性，并可能產(chǎn)生誤導(dǎo)性結(jié)果。

為了避免這種情況，有些IC提供更先進(jìn)的多通道信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，讓設(shè)計(jì)人員更輕松地構(gòu)建能夠精確測量多個(gè)傳感器的系統(tǒng)，同時(shí)保持高可靠性傳感器融合應(yīng)用所需的緊密同步性。

無論是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，獨(dú)立嵌入式還是任何傳感器處理應(yīng)用程序，同步多通道數(shù)據(jù)采集可以對(duì)精度，動(dòng)態(tài)范圍和帶寬提出截然不同的要求。例如，用于在高能物理實(shí)驗(yàn)中捕獲事件的多傳感器陣列需要具有專用信號(hào)通道的超高速閃速轉(zhuǎn)換器，其能夠在千兆赫茲頻率下高度同步轉(zhuǎn)換。相比之下，帶有集成ADC的簡單8位MCU可能足以每隔幾分鐘捕獲一次氣候監(jiān)測系統(tǒng)的溫度，風(fēng)和大氣壓力。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)，許多傳感器融合應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)介于這兩個(gè)極端之間的要求 - 增加了對(duì)簡化設(shè)計(jì)，占用空間小和功耗低的要求。然而，在這個(gè)廣泛的范圍內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員仍然可以面對(duì)專業(yè)信號(hào)鏈的要求，包括優(yōu)化的組件或緊湊，高度集成系統(tǒng)的面部要求。無論實(shí)施方法如何，目標(biāo)都保持不變：確保跨多個(gè)傳感器的可靠，同步轉(zhuǎn)換。

專用信號(hào)鏈

在超高速應(yīng)用之外，多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通常依賴于饋送高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的多路復(fù)用器。然而，對(duì)于需要嚴(yán)格同步測量的應(yīng)用，多路復(fù)用器切換和輸入信號(hào)穩(wěn)定所需的時(shí)間對(duì)于期望同時(shí)進(jìn)行傳感器測量的傳感器融合應(yīng)用而言可能存在問題。

德州儀器ADS131E08S是其中之一新興的模擬前端(AFE)IC，為每個(gè)模擬輸入通道提供專用信號(hào)路徑，提供真正的多通道同步采樣功能。器件中的每個(gè)通道都包含一個(gè)完整的信號(hào)路徑，包括電磁干擾(EMI濾波器，多路復(fù)用器，可編程增益放大器(PGA)和24位delta-sigma(ΔΣ)ADC(圖1，上圖)。依次是8個(gè)CHnSET寄存器允許開發(fā)人員以編程方式配置每個(gè)通道的工作特性，甚至可以向上或向下驅(qū)動(dòng)通道(圖1，底部)。

圖1：德州儀器ADS131E08S模擬前端IC提供8個(gè)完整的傳感器信號(hào)鏈(頂部);每個(gè)通道可通過其自己的CHnSET寄存器(n = 1至8)進(jìn)行軟件配置(底部)，允許開發(fā)人員設(shè)置輸入源(MUX [2： 0])和PGA增益(GAINn [2：0])甚至為單個(gè)通道上電或下電(PDn)供電。(：德州儀器)

如前所述，ADS131E08S的獨(dú)特功能它是每通道多路復(fù)用器功能。雖然更傳統(tǒng)的多通道ADC中的多路復(fù)用器將不同的模擬輸入引腳連接到ADC，但ADS131E08S' s通道多路復(fù)用器提供測試每個(gè)通道的機(jī)制。通過將CHnSet寄存器中的MUX [0-2]位設(shè)置為通道(n)，工程師可以將通道n的信號(hào)源設(shè)置為內(nèi)部生成的信號(hào)，以進(jìn)行測試，溫度和故障檢測(圖2)。 p>

圖2：使用MUX [2：0]位，設(shè)計(jì)人員可以配置集成在TI ADS131E08S每個(gè)通道中的專用輸入多路復(fù)用器，以支持各種信號(hào) - 用于信號(hào)測量，溫度測量，校準(zhǔn)和診斷的切換選項(xiàng)。 (：德州儀器)

在每個(gè)通道內(nèi)，多路復(fù)用器的輸出傳遞給可配置的PGA，包括兩個(gè)差分配置的運(yùn)算放大器。使用每個(gè)通道的CHnSET寄存器，用戶可以將PGA增益設(shè)置為以下五種設(shè)置之一：1,2,4,8和12.最后，每個(gè)通道的信號(hào)鏈?zhǔn)褂冕槍?duì)低優(yōu)化的二階調(diào)制器饋入其專用ΔΣADC - 電源操作。

簡化操作

該設(shè)備提供硬件和軟件機(jī)制，用于同時(shí)執(zhí)行多通道傳感器測量。設(shè)計(jì)人員可以通過將器件的START引腳設(shè)置為高電平或通過器件的串行外設(shè)接口(SPI)兼容接口發(fā)送START命令來啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。反過來，器件ADC開始轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)，將數(shù)據(jù)就緒指示器DRDY拉高。下一個(gè)DRDY下降沿表示轉(zhuǎn)換已完成且轉(zhuǎn)換結(jié)果已準(zhǔn)備就緒。在典型的基于MCU的系統(tǒng)中，MCU將監(jiān)控DRDY并使用SPI兼容接口讀取數(shù)據(jù)。

該器件廣泛的集成功能集還簡化了硬件設(shè)計(jì)。除SPI兼容接口外，該器件還包括GPIO引腳，片上振蕩器，集成參考源和模擬比較器。因此，工程師可以簡單地將TI ADS131E08S與微控制器相結(jié)合，以創(chuàng)建完整的多通道同步采樣設(shè)計(jì)。

即使它僅消耗2 mW/通道，ADS131E08S也支持高達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率每通道64 Ksamples/s。如果需要八個(gè)以上的通道，設(shè)計(jì)人員可以級(jí)聯(lián)多個(gè)器件，使用相同的START信號(hào)啟動(dòng)所有級(jí)聯(lián)器件的同步轉(zhuǎn)換(圖3)。多個(gè)設(shè)備可以使用相同的SPI兼容總線;主機(jī)處理器將使用自己的GPIO信號(hào)分別選擇特定的ADS131E08S器件來發(fā)送命令或接收數(shù)據(jù)。

圖3：設(shè)計(jì)人員可以級(jí)聯(lián)多個(gè)ADS131E08S AFE可以同時(shí)測量8個(gè)以上的通道，使用主機(jī)處理器的GPIO信號(hào)作為跨共享SPI連接的每個(gè)器件的片選。 (：德州儀器)

綜合方法

使用專用AFE(例如TI ADS131E08S)對(duì)于需要某些專門的傳感器采集或信號(hào)處理的應(yīng)用特別有效 - 特別是在需要更多通道或額外的高性能處理能力超過需要的情況下緊湊的設(shè)計(jì)。在絕對(duì)最小占位面積是主要要求的情況下，設(shè)計(jì)人員可以求助于ADI公司的ADuCM320i等器件，該器件能夠?yàn)槎嗤ǖ劳綌?shù)據(jù)采集提供單芯片解決方案。 ADuCM320i非常適合復(fù)雜的傳感器應(yīng)用，它將ARM®Cortex®-M3處理器內(nèi)核與片上閃存，SRAM以及豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一起(圖4)。

圖4：ADI公司ADuCM320i可作為完整的1 MSPS多通道傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成了處理器，SRAM，閃存，ADC，電流輸出通道和片上PLA。 (圖像：ADI公司)

在這些外設(shè)中，ADuCM320i提供四個(gè)電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。電流DAC(或IDAC)能夠提供0 mA至150 mA滿量程，為需要激勵(lì)電流進(jìn)行操作的電阻式傳感器提供有效的解決方案。該器件還集成了一個(gè)完全可編程邏輯陣列(PLA)，包括四個(gè)獨(dú)立但互連的PLA模塊，每個(gè)模塊提供八個(gè)PLA元件。每個(gè)PLA元素都包含一個(gè)雙輸入查找表，可以配置為基于兩個(gè)輸入和一個(gè)觸發(fā)器生成任何邏輯輸出功能。

器件的核心仍然是其片內(nèi)ADC，提供最多16個(gè)輸入引腳上的14位數(shù)據(jù)采集，可配置為單端或差分操作。 ADC模塊包括一個(gè)多通道多路復(fù)用器，用于高阻抗輸入通道的輸入緩沖器，片上基準(zhǔn)電壓源和逐次逼近寄存器(SAR)ADC。雖然該器件采用傳統(tǒng)方法，其中單個(gè)片上多路復(fù)用器為ADC提供單獨(dú)的模擬輸入，但它能夠?qū)崿F(xiàn)1 MSPS操作。在這些速率下，實(shí)際測量時(shí)間的微小差異對(duì)大多數(shù)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的傳感器融合應(yīng)用幾乎沒有影響。

設(shè)備只需要一個(gè)簡單的操作序列即可執(zhí)行轉(zhuǎn)換。例如，要設(shè)置ADC并使用單端測量在模擬輸入通道0(AIN0)上生成單次轉(zhuǎn)換，工程師將首先通過設(shè)置寄存器來配置器件，如下所示：

<代碼> ADCCON = 0x280;//上電ADC，使能參考緩沖器，空閑模式

ADCCHA = 0x1100;//選擇AIN0作為正ADC輸入(AIN +)

//和ADC_REFN作為負(fù)ADC輸入(AIN - )

ADCCNVC = 0xA00C8;//選擇100 kSPS ADC更新速率和500 ns采集時(shí)間

ADCCON | = 0x2;//啟用單次轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換完成后，器件發(fā)出中斷，允許中斷處理程序從ADC輸出寄存器ADCDAT0讀取通道0的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

ADuCM320i可以從編程器指定的通道組執(zhí)行指定的測量序列，從而降低采樣的處理器開銷并優(yōu)化功耗。通過這種方法，工程師對(duì)ADCSEQ [0:28]寄存器進(jìn)行編程，以指定要包含在轉(zhuǎn)換序列中的通道，包括通過設(shè)置其相應(yīng)位或通過清除其位來排除該通道的特定通道。

該器件允許工程師利用器件的直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)功能進(jìn)一步降低處理器開銷(和功耗)。在這里，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)器件進(jìn)行編程，使用ADC或ADC序列發(fā)生器作為DMA控制器的源通道，在完成所選通道或通道序列的轉(zhuǎn)換后，可以自動(dòng)將ADC結(jié)果直接移入SRAM，無需處理器干預(yù)。

結(jié)論

傳感器融合可以為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來豐富的上下文信息，但成功在很大程度上取決于來自多個(gè)傳感器的信號(hào)的同步轉(zhuǎn)換。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員而言，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換解決方案可能會(huì)使確保多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換同步的任務(wù)復(fù)雜化。高度集成的IC為設(shè)計(jì)人員提供了簡單有效的解決方案，可實(shí)現(xiàn)同步或近同步多通道轉(zhuǎn)換，非常適合滿足物聯(lián)網(wǎng)緊湊，低功耗設(shè)計(jì)的廣泛要求。