滿足物聯(lián)網(wǎng)低功耗設計的傳感器融合

傳感器融合幾乎是不言自明的，因為它結合了來自多個傳感器的數(shù)據(jù)，以便在比單個傳感器通?？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失去準確性，并可能產(chǎn)生誤導性結果。

為了避免這種情況，有些IC提供更先進的多通道信號轉換功能，讓設計人員更輕松地構建能夠精確測量多個傳感器的系統(tǒng)，同時保持高可靠性傳感器融合應用所需的緊密同步性。

無論是物聯(lián)網(wǎng)（IoT），獨立嵌入式還是任何傳感器處理應用程序，同步多通道數(shù)據(jù)采集可以對精度，動態(tài)范圍和帶寬提出截然不同的要求。例如，用于在高能物理實驗中捕獲事件的多傳感器陣列需要具有專用信號通道的超高速閃速轉換器，其能夠在千兆赫茲頻率下高度同步轉換。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，風和大氣壓力。

對于物聯(lián)網(wǎng)，許多傳感器融合應用可能會出現(xiàn)介于這兩個極端之間的要求 - 增加了對簡化設計，占用空間小和功耗低的要求。然而，在這個廣泛的范圍內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)設計人員仍然可以面對專業(yè)信號鏈的要求，包括優(yōu)化的組件或緊湊，高度集成系統(tǒng)的面部要求。無論實施方法如何，目標都保持不變：確?？缍鄠€傳感器的可靠，同步轉換。

專用信號鏈

在超高速應用之外，多通道數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)通常依賴于饋送高速模數(shù)轉換器（ADC）的多路復用器。然而，對于需要嚴格同步測量的應用，多路復用器切換和輸入信號穩(wěn)定所需的時間對于期望同時進行傳感器測量的傳感器融合應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，為每個模擬輸入通道提供專用信號路徑，提供真正的多通道同步采樣功能。器件中的每個通道都包含一個完整的信號路徑，包括電磁干擾（EMI濾波器，多路復用器，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CHnSET寄存器允許開發(fā)人員以編程方式配置每個通道的工作特性，甚至可以向上或向下驅動通道（圖1，底部）。

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

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

圖2：使用MUX [2：0]位，設計人員可以配置集成在TI ADS131E08S每個通道中的專用輸入多路復用器，以支持各種信號 - 用于信號測量，溫度測量，校準和診斷的切換選項。 （來源：德州儀器）

在每個通道內(nèi)，多路復用器的輸出傳遞給可配置的PGA，包括兩個差分配置的運算放大器。使用每個通道的CHnSET寄存器，用戶可以將PGA增益設置為以下五種設置之一：1,2,4,8和12.最后，每個通道的信號鏈使用針對低優(yōu)化的二階調(diào)制器饋入其專用ΔΣADC - 電源操作。

簡化操作

該設備提供硬件和軟件機制，用于同時執(zhí)行多通道傳感器測量。設計人員可以通過將器件的START引腳設置為高電平或通過器件的串行外設接口（SPI）兼容接口發(fā)送START命令來啟動轉換。反過來，器件ADC開始轉換輸入信號，將數(shù)據(jù)就緒指示器DRDY拉高。下一個DRDY下降沿表示轉換已完成且轉換結果已準備就緒。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計。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與微控制器相結合，以創(chuàng)建完整的多通道同步采樣設計。

即使它僅消耗2 mW/通道，ADS131E08S也支持高達數(shù)據(jù)轉換速率每通道64 Ksamples/s。如果需要八個以上的通道，設計人員可以級聯(lián)多個器件，使用相同的START信號啟動所有級聯(lián)器件的同步轉換（圖3）。多個設備可以使用相同的SPI兼容總線;主機處理器將使用自己的GPIO信號分別選擇特定的ADS131E08S器件來發(fā)送命令或接收數(shù)據(jù)。

圖3：設計人員可以級聯(lián)多個ADS131E08S AFE可以同時測量8個以上的通道，使用主機處理器的GPIO信號作為跨共享SPI連接的每個器件的片選。 （來源：德州儀器）

綜合方法

使用專用AFE（例如TI ADS131E08S）對于需要某些專門的傳感器采集或信號處理的應用特別有效 - 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計。在絕對最小占位面積是主要要求的情況下，設計人員可以求助于ADI公司的ADuCM320i等器件，該器件能夠為多通道同步數(shù)據(jù)采集提供單芯片解決方案。 ADuCM320i非常適合復雜的傳感器應用，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。 （圖像來源：ADI公司）

在這些外設中，ADuCM320i提供四個電流輸出數(shù)模轉換器（DAC）。電流DAC（或IDAC）能夠提供0 mA至150 mA滿量程，為需要激勵電流進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完全可編程邏輯陣列（PLA），包括四個獨立但互連的PLA模塊，每個模塊提供八個PLA元件。每個PLA元素都包含一個雙輸入查找表，可以配置為基于兩個輸入和一個觸發(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模塊包括一個多通道多路復用器，用于高阻抗輸入通道的輸入緩沖器，片上基準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，其中單個片上多路復用器為ADC提供單獨的模擬輸入，但它能夠實現(xiàn)1 MSPS操作。在這些速率下，實際測量時間的微小差異對大多數(shù)針對物聯(lián)網(wǎng)的傳感器融合應用幾乎沒有影響。

設備只需要一個簡單的操作序列即可執(zhí)行轉換。例如，要設置ADC并使用單端測量在模擬輸入通道0（AIN0）上生成單次轉換，工程師將首先通過設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ADC輸入（AIN - ）

ADCCNVC = 0xA00C8;//選擇100 kSPS ADC更新速率和500 ns采集時間

ADCCON | = 0x2;//啟用單次轉換

轉換完成后，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ADCSEQ [0:28]寄存器進行編程，以指定要包含在轉換序列中的通道，包括通過設置其相應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器訪問（DMA）功能進一步降低處理器開銷（和功耗）。在這里，設計人員可以對器件進行編程，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換后，可以自動將ADC結果直接移入SRAM，無需處理器干預。

結論

傳感器融合可以為物聯(lián)網(wǎng)應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傳感器的信號的同步轉換。對于物聯(lián)網(wǎng)設備設計人員而言，傳統(tǒng)的轉換解決方案可能會使確保多通道數(shù)據(jù)轉換同步的任務復雜化。高度集成的IC為設計人員提供了簡單有效的解決方案，可實現(xiàn)同步或近同步多通道轉換，非常適合滿足物聯(lián)網(wǎng)緊湊，低功耗設計的廣泛要求。