淺析智能傳感器接口在數據采集中的應用

大多數模擬測量系統的系統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(lái)自一個(gè)或多個(gè) ADC 的數據。在信號鏈一端向 ADC 饋送數據的是主機控制的傳感器。對上述系統進(jìn)行分析，并明確在不影響性能的情況下需進(jìn)行哪些優(yōu)化，其實(shí)對我們來(lái)說(shuō)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。 對負責系統后端的模擬設計人員而言，通常只能對 ADC 進(jìn)行優(yōu)化。不過(guò)，這時(shí)數字接口基本已經(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(shí)現極高的性能且具備靈活的集成 ADC 功能，眾多此類(lèi)微控制器 (MCU) 都能理想地滿(mǎn)足各種應用需求。不過(guò)，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(shí)間開(kāi)發(fā)昂貴的 ASIC、承擔高風(fēng)險之外，還有沒(méi)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，那么將數字智能集成至 ADC 中又未嘗不可呢?這就能實(shí)現“更智能化”的設備，既能充分滿(mǎn)足傳感器前端的模擬性能要求，又具備與系統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 數據采集系統的發(fā)展 小智慧有大作用毫無(wú)疑問(wèn)，這不是一種新的概念，不過(guò)卻經(jīng)常被忽視。只要可能，我們就應采用智能 ADC 數據采集系統，其發(fā)揮的系統級影響大大超過(guò)此前介紹的范疇。一般說(shuō)來(lái)，設計人員考慮的問(wèn)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(jià)位也是非常重要的因素。價(jià)格通常是大多數高銷(xiāo)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(huì )影響集成度的獨立解決方案。 智能 ADC 系統架構的優(yōu)勢在于，數字和模擬設計都能實(shí)現極大的靈活性，這同時(shí)也為軟件開(kāi)發(fā)提供了極高的靈活性。智能 ADC 解決方案的集成 CPU 和數字外設實(shí)現了更簡(jiǎn)單的 A/D 控制和數據處理功能。ADC 不僅具有全面可編程性，而且無(wú)須與主機 CPU 互動(dòng)就能實(shí)現空中控制。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字數據，而且還能在向系統主機傳遞數據之前對數據進(jìn)行處理。這使求數據平均值乃至更復雜的數據過(guò)濾等功能都得以簡(jiǎn)化。 為了說(shuō)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(xiàn) SPI 接口通信的簡(jiǎn)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(gè) 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)化的也只是數據通信。主機仍要處理數據、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(jiǎn)單而低效的系統與智能 ADC 系統相比較，智能系統采用相同的主機功能，但主機只需從“智能” ADC 中檢索數據。所有 ADC 控制功能和預處理的數據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(lèi)智能型 ADC 的一個(gè)優(yōu)秀典范。所有的 ADC 控制和數據處理均無(wú)需主機完成，從而不僅提高了靈活性，而且還加強了整個(gè)系統的效率。這乍看起來(lái)似乎對降低成本、提高存儲器容量以及 CPU 吞吐量等方面沒(méi)什么大用，但是我們需考慮到，有的任務(wù)每秒必須要處理數十次、上百次，乃至上千次。因此，智能 ADC 所能實(shí)現的優(yōu)勢是極為明顯的，但如果設計人員在系統設計過(guò)程中只考慮采用簡(jiǎn)單 ADC 的話(huà)，那么就會(huì )讓主機不得不處理大量的數據采集工作，造成無(wú)謂的消耗。 智能程度更高的 ADC 所帶來(lái)的優(yōu)勢和功能遠遠超出了 A/D 轉換及數據處理的范疇。在更高的層面上，MSP430F2013 的 2KB 片上閃存存儲器可存儲校準數據，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 還能存儲數據日志和多采樣緩沖。系統主機可用剩余的可用存儲器存儲其他各種數據。 至主機或 LED 指示器、開(kāi)關(guān)或外部數字時(shí)鐘等其他系統元素的接口具有多達 10 個(gè)通用 I/O 連接，因此顯著(zhù)實(shí)現了簡(jiǎn)化?？商幚?SPI 或 I2C 協(xié)議的內置通信接口可提供簡(jiǎn)單而優(yōu)化的可定制主機數據端口。 MSP430 超低功耗架構的關(guān)鍵優(yōu)勢之一也進(jìn)一步擴展到了系統模擬領(lǐng)域，能實(shí)現非常靈活且易于管理的電源架構，從而充分滿(mǎn)足電流需要。由于處理器從亞微安培待機電流的喚醒時(shí)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功耗要求。

圖 2 顯示了有關(guān)系統如何利用主機和智能ADC的概念。

　　圖 2. 智能 ADC 的系統架構 結論性的設想 如果您下次設計混合信號應用時(shí)要采用外接 ADC，那么不妨考慮一下各種選擇。采用簡(jiǎn)單的外部模數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(shí)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(jiǎn)化了設計工作，尤其是在解決方案體積較小時(shí)優(yōu)勢更為顯著(zhù)，而且其成本基本相當于專(zhuān)用模數轉換器解決方案，有時(shí)甚至還會(huì )更低。這種數據采集系統架構的優(yōu)勢還能擴展到其他設計領(lǐng)域，如降低功耗、提高系統可升級性以及實(shí)現最終設備的差異化創(chuàng )新等。