基于最新精密模擬微控制器&電子化學(xué)傳感器打造智能環(huán)境監測應用

現實(shí)世界中越來(lái)越多使用化學(xué)分析儀器進(jìn)行測試和測量，從而為人類(lèi)造福。這包括諸如環(huán)境空氣和水質(zhì)監測、為提高食品質(zhì)量而進(jìn)行的材料和產(chǎn)品分析，以及石油和地球物理探勘、深?？茖W(xué)探索等應用。

實(shí)施這些技術(shù)的分析方法應根據樣本類(lèi)型和測量特性進(jìn)行選擇，具體包括光譜學(xué)、光譜測定法和電化學(xué)法等，準確、高可信度的檢測、識別和特性鑒定取決于精確感應能力和電子產(chǎn)品，其中高性能信號鏈、傳感器、電源和處理器解決方案能確保檢測極限和精度不會(huì )受到電子產(chǎn)品設計的制約。本文將結合全球高性能模擬技術(shù)提供商ADI最新發(fā)布的高性能模擬前端芯片ADuCM355，談?wù)剼怏w與水質(zhì)檢測等應用。

ADuCM355 精密模擬微控制器。

電化學(xué)和生物傳感器的“最佳搭檔”——ADuCM355

ADuCM355是ADI在一年前發(fā)布的一款最新片內系統，可控制和測量電化學(xué)傳感器和生物傳感器，是一款基于A(yíng)rm? Cortex?-M3處理器的超低功耗、混合信號微控制器，具有的電流、電壓和阻抗測量功能特別適合電化學(xué)傳感器和生物傳感器信號采集測量和控制。

ADuCM355內置集成輸入緩沖器的16位、400 kSPS多通道逐次逼近寄存器(SAR)模數轉換器、抗混疊濾波器(AAF)和可編程增益放大器(PGA)。電流輸入包括三個(gè)具有可編程增益的跨導放大器(TIA)和用于測量不同傳感器類(lèi)型的負載電阻。模擬前端還包含兩個(gè)專(zhuān)門(mén)針對恒電勢器能力而設計的低功耗放大器，使外部電化學(xué)傳感器保持恒定的偏置電壓。這兩個(gè)放大器的同相輸入由片內雙通道輸出數模轉換器(DAC)進(jìn)行控制。模擬輸出包括高速DAC和用于產(chǎn)生交流信號的輸出放大器。

基于A(yíng)DuCM355的電化學(xué)有毒氣體監測應用電路原理圖。

ADC的轉換速率最高可達400 kSPS，且具有?0.9 V至+0.9 V輸入范圍。ADC前面的輸入復用器允許用戶(hù)選擇輸入通道進(jìn)行測量。這些輸入通道包括三個(gè)外部電流輸入、多個(gè)外部電壓輸入和內部通道。利用內部通道，可對內部電源電壓、裸片溫度和基準電壓源進(jìn)行診斷測量。

該混合信號微控制器集成了三個(gè)電壓DAC中有兩個(gè)是雙通道輸出、12位電阻串DAC。每個(gè)DAC的一個(gè)輸出可控制恒電勢器放大器的同相輸入，另一個(gè)控制TIA的同相輸入。第三個(gè)DAC（有時(shí)被稱(chēng)為高速DAC）針對用于阻抗測量的高功率TIA而設計。此DAC的輸出頻率范圍高達200 kHz。

作為可實(shí)現新一代智能電子化學(xué)傳感器的新型傳感器接口IC，ADuCM355帶有生物傳感器和化學(xué)傳感器接口，是目前能夠在單個(gè)芯片上同時(shí)實(shí)現恒電位儀和電化學(xué)阻抗頻譜分析儀(EIS)功能的唯一解決方案，是工業(yè)氣體檢測、儀器儀表、生命體征監測和疾病管理等應用的理想解決方案。

基于A(yíng)DuCM355打造全面的監測應用

隨著(zhù)全球環(huán)保意識的空前高漲，特別是中國政府對環(huán)境監測和保護的決心增強，換將監測產(chǎn)業(yè)迎來(lái)發(fā)展良機，其中空氣監測、水質(zhì)監測、土壤監測的市場(chǎng)機會(huì )猛然增加。此外，食物安全和健康產(chǎn)業(yè)相關(guān)的監測應用也日益顯著(zhù)增長(cháng)。ADuCM355憑借其獨特的傳感器接口功能和片上配置資源，特別瞄準了氣體探測、食品質(zhì)量監測、環(huán)境檢測（空氣、水和土壤），以及血糖儀、生命科學(xué)和生物感測分析和生物阻抗測量等應用。

ADI公司在2018國際電子展覽會(huì )上展出的基于A(yíng)DuCM355的氣體監測演示模板。

ADI公司在2018國際電子展覽會(huì )上展出的基于A(yíng)DuCM355用于電化學(xué)氣體感測的新款全集成信號鏈解決方案。如上圖所示。展示ADuCM355的氣體檢測功能，該參考設計與Arduino兼容，可以測量多達4個(gè)電化學(xué)傳感器。在展示現場(chǎng)設置檢測兩種氣體，分別是氧氣和一氧化碳，通過(guò)采用一氧化碳探測器噴霧器進(jìn)行傳感器激發(fā)，可以在屏幕上直接觀(guān)察到靈敏準確的結果。

作為一款非常適合電化學(xué)氣體檢測應用的單芯片解決方案，借助ADuCM355能夠快速制作出氣體檢測解決方案原型，其集成了兩個(gè)穩壓器D/A和A/D轉換器，以及Cortex-M3微控制器，它還配有阻抗光譜引擎，可以對電化學(xué)傳感器執行板載診斷，有助于延長(cháng)傳感器的使用壽命并檢測其運行狀況。該器件集成了行業(yè)最先進(jìn)的傳感器診斷技術(shù)，具有卓越的低噪聲和低功耗性能，并且尺寸最小。傳統的分立式解決方案往往具有一些局限性，并且需要多個(gè)IC才能實(shí)現類(lèi)似性能，相比之下，ADI的新型微控制器平臺能夠提供更高的可靠性和極大靈活性，并且可以顯著(zhù)節約成本。

Honeywell 工業(yè)安全便攜氣體檢測儀

現場(chǎng)還展示了一款Honeywell 工業(yè)安全便攜氣體檢測部開(kāi)發(fā)的氣體監測便攜產(chǎn)品，該產(chǎn)品獨特地結合了實(shí)現新一代便攜式氣體檢測器所需的高性能、超低功耗、小尺寸和先進(jìn)的特性組合，利用ADuCM355這個(gè)平臺解決方案實(shí)現了可靠氣體檢測的新標準本。

事實(shí)上，這款精密模擬微控制器還同時(shí)適用于儀器儀表和生命體征監測，例如荷蘭恒電位儀的生產(chǎn)商Palmsens就是一家致力于為客戶(hù)打造更簡(jiǎn)單、更易攜帶和使用的電子化學(xué)產(chǎn)品，該公司發(fā)布的EmStatPico是全球最小的通用電子化學(xué)接口模塊，即以ADuCM355 為核心打造的一套完整的硬件和軟件設計平臺，可實(shí)現分鐘級測量，非常適合便攜式、可穿戴式和空間受限的傳感器應用的開(kāi)發(fā)。