新一代智能氣體檢測方案

隨著(zhù)電化學(xué)傳感器技術(shù)的發(fā)展，萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，市場(chǎng)對于相關(guān)檢測產(chǎn)品小型化、數字智能化的需求也愈發(fā)顯著(zhù)。作為單芯片解決方案，信號鏈集成內置診斷功能將使傳感器被更廣泛地使用，同時(shí)提高準確性，延長(cháng)傳感器壽命，降低維護成本。

技術(shù)型分銷(xiāo)商Excelpoint世健公司的工程師Ethan Li推薦了ADI一款集成化學(xué)傳感器接口的精密模擬微控制器ADuCM355。他詳細闡述了ADuCM355氣體檢測方案與傳統方案相比的優(yōu)勢，以及設計中的注意點(diǎn)和相關(guān)開(kāi)發(fā)資源。

ADuCM355 SOC片上系統的架構與特性

圖1 ADUCM355片內架構圖

圖2 ADuCM355 AFE DIE≈AD5940/1

如圖1所示ADuCM355的結構架構圖，實(shí)際是=兩個(gè)DIE封裝的技術(shù)架構，DIE1≈模擬前端AD5940/1，DIE2=MCU=ADUCM3029。

如圖2，ADucM355 AFE的功能框圖架構與AD594X一樣。但ADuCM355模擬資源較AD594X會(huì )多一些。

√   ADuCM355 AFE模擬前端

●   LOW BANDWIDTH LOOP 低帶寬回路

   ◎   兩個(gè)雙通道輸出電壓DAC

   ◎   兩個(gè)低功耗、低噪聲放大器（AD594X=1個(gè)）

   ◎   兩個(gè)低功耗、低噪聲TIA（AD594X=1個(gè)）

   ◎   可編程負載和增益電阻

●   HIGH BANDWIDTH LOOP 高帶寬回路

   ◎   1個(gè)高速12位電壓DAC

   ◎   1個(gè)用于阻抗測量的高速TIA

   ◎   輸出上的可編程增益放大器

   ◎   阻抗測量范圍：<1 Ω至10 MΩ， 0.016 Hz至200,000 Hz

●   模擬輸入/輸出

   ◎   16 位、400 kSPS ADC 電壓

   ◎   內部和外部電流和電壓通道

   ◎   超低泄漏開(kāi)關(guān)矩陣和輸入多路復用器

   ◎   輸入緩沖器，PGA

●   2.5 V 和 1.82 V 片內精密基準電壓源

●   模擬硬件加速器

   ◎   數字波形發(fā)生器

   ◎   DFT 和數字濾波器

●   內部溫度傳感器，±2°C精度

√   微處理器

●   26 MHz Arm Cortex-M3處理器

●   串行線(xiàn)端口支持代碼下載和調試

●   128 kB閃存/64 kB SRAM

●   UART、I2C和SPI串行輸入/輸出

●   最多17個(gè)GPIO引腳

●   通用、喚醒和看門(mén)狗定時(shí)器

ADuCM355氣體檢測SOC方案優(yōu)勢

1. 高集成度-降低信號鏈設計復雜性

圖3 典型傳統的電化學(xué)氣體檢測信號鏈

圖4 ADuCM355電化學(xué)氣體檢測信號鏈

通過(guò)對ADuCM355內部架構的了解。以及圖3&4、傳統電化學(xué)氣體檢測方案與ADuCM355方案的對比，ADuCM355方案優(yōu)勢：高度集成化、數字化。Ethan介紹，世健公司前期與山東某知名便攜式環(huán)保企業(yè)工程師推廣交流，高集成度是他們導入ADuCM355方案評估的最重要因素。

2. 超低功耗

如常見(jiàn)的三電極電化學(xué)傳感器，根據電化學(xué)傳感器工作原理，12位VDAC輸出通過(guò)圖5所示的恒電勢器電路設置參考電極引腳上的電壓。CE引腳和RE引腳上的電壓稱(chēng)為VBIAS。6位輸出設置LPTIA_P節點(diǎn)上的偏置電壓；此輸出設置感應電極引腳SE上的電壓。該電壓稱(chēng)為VZERO。傳感器上的VBIAS偏置電壓實(shí)際上是12位輸出和6位輸出之間的差值。低功耗模式下，在連接低帶寬回路傳感器非測量狀態(tài)BIAS模式下，這個(gè)系統電路可以做到8uA的超低功耗。傳感器工作測量時(shí)4.9mA。

圖5 低帶寬回路保持EC參考極的偏置電壓

3. 高測量精度

電化學(xué)傳感器連接ADuCM355低帶寬回路，輸出非常小的電流經(jīng)低功耗（LPTIA TIA支持200?至512k?的可編程增益電阻）轉換為可由ADC測量的電壓信號。16BIT高分辨率 SAR ADC，內部高精度20ppm 1.82Vref作為ADC基準源，加以可編程的數字濾波器，可做到如圖6高達15BIT有效位數的采集精度。

圖6 ADC ENOB，基于RMS噪聲

4. 可診斷可預測型-電化學(xué)阻抗譜分析

隨著(zhù)電化學(xué)應用的發(fā)展，執行診斷測量具有重要價(jià)值。電化學(xué)阻抗譜分析如圖7 ADuCM355高帶寬回路HPDAC輸出頻率可高達200Khz交流信號激勵傳感器，配合復數阻抗測量(DFT)引擎，可幫助客戶(hù)有效的診斷傳感器的健康狀態(tài)。

對于某些類(lèi)型的傳感器，在阻抗測量期間必須保持傳感器上的直流偏置。交流信號的電平通過(guò)低功耗DAC 的VBIAS電壓輸出設置，SE上的電壓由VZERO電壓維持。還必須通過(guò)設置AFECON位21來(lái)使能高速DAC直流緩沖器。

圖7 High Bandwidth Loop 高帶寬回路比例法測量EC阻抗

ADuCM355設計開(kāi)發(fā)環(huán)境

圖8 硬件連接、可支持電化學(xué)傳感器

IAR 軟件開(kāi)發(fā)調試環(huán)境，ADI可提供ADuCM355全套參考代碼。如圖10所示 355_ECSns_2E code，可直接燒錄評估，配合硬件參考手冊，根據實(shí)際需求，個(gè)性化開(kāi)發(fā)。

圖10 ADI ADuCM355參考代碼資源

Ethan還表示，ADI可提供豐富的參考設計代碼，縮短開(kāi)發(fā)周期。ADuCM355方案在新一代電化學(xué)氣體檢測應用的產(chǎn)品中擁有強大的優(yōu)勢、潛力，在世健公司的支持下，山東區域幾家環(huán)保企業(yè)已陸續導入評估ADuCM355、AD5941氣體檢測方案，已有成功應用案例，等待產(chǎn)品量產(chǎn)上市。