集成ARM的混合信号如何实现智能传感器

　　摘要：本文通过介绍几种不同的现场仪器仪表的缺点与不足，分析了ARM M3/M4处理器内核与适当的模拟元件集成后，如何实现现场仪器仪表应用的系统级优化。

　　一般而言，新一代嵌入式系统的关键指标包括： 更高的性能、更低的成本、更低的功耗、增加有线和无线连接能力、更小的尺寸以及更高的整体系统效率。 实现上述任意单一目标都不是件容易的事情;因此，涵盖多个指标的解决方案必须依靠多个元件的集成。

　　采用仔细选择的模拟元件、32位ARM处理器内核以及合适的数字外设组合，能以分立式解决方案所无法实现的方式达成这些目标。 影响最大的集成元件有：模拟放大器、ADC、DAC、基准电压源、温度传感器、无线收发器和信号处理加速器。

　　有很多应用领域都具有潜在优势，包括：工业现场仪器仪表应用/精密检测、电机控制、太阳能逆变器等。

　　现场仪器仪表： 过程控制中的低功耗传感器

　　现场仪器仪表是过程控制系统的一部分。后者广泛用于各种领域，比如石油和天然气处理、食品处理、汽车以及半导体制造等。 它们常常部署在恶劣环境下，比如需要远程控制、具有极端温度和安全风险(如爆炸危险)等。 在这些困难条件下，器件必须能够可靠、准确地测量过程变量，如温度、压力和流速。 由于要接触这些设备具有一定的难度，因此未来的趋势是将它们设计得更为智能化，从而更高效地进行通信、自我校准以及更好地诊断问题。 在网络边缘中引入智能是很多应用共有的趋势，助推新一代嵌入式系统的设计目标向更激进的方向发展。 就现场仪器仪表而言，难点在于增加新功能而不增加功耗、尺寸并且不影响测量性能。 在现场仪器仪表中加入新功能的特定例子有：HART调制解调器的通信功能、电子电路诊断功能以及尺寸更大、分辨率更高的显示器。 此外，若要为现场仪器仪表优化模拟微控制器，则必须首先了解行业趋势，然后还要深入理解系统级要求。 拥有系统知识，便可选择正确的集成模块。

　　对于单芯片数据采集子系统来说，从电路级架构角度出发，可以获得大量的系统级优势。 这便为实现激进的功耗、尺寸和性能目标提供了可能性。 实现高效而灵活的现场仪器仪表数据采集方案所需的IP有： 模拟多路复用、仪表放大器、Σ-Δ型ADC、基准电压源、可编程电流源、ARM M3微控制器内核、Flash、定时器、看门狗和数字串行接口。 框图显示针对现场仪器仪表优化的IP，经过集成后，它们可良好地协调工作，从而提供能效与尺寸方面的优势，并允许加入额外功能。

　　大部分现场仪器仪表设备通过双线式模拟环路通信，采用4 mA-20 mA电流信号。 这类环路使用广泛的原因是它们成本低、稳定性高，并且具有噪声抗扰度，不会产生压降。 另外，4 mA-20 mA环路还可用来为现场仪器仪表供电。 这种受限型电源使得仪器仪表对电源十分敏感，即吸取的电流必须低于环路源电流能力的下限4 mA。 具体而言，电流预算为3.5 mA。 现场仪器仪表中全部电子器件的总消耗电流不可超过该值。 对于数据采集元件而言——包括信号放大、模数转换、数字信号处理、诊断、校准和控制——此部分预算需小于2 mA。 从系统角度来理解这个预算，便能针对应用设计并优化集成式模拟微控制器。

　　模拟微控制器中的所有主要IP模块都需针对功耗进行优化，满足2 mA以内的功耗目标。 实现这一目标的关键器件有：仪表放大器、ADC和微控制器子系统。 单个ADC通道的功耗目标为150 uA以内。 对微控制器子系统进行功耗优化时，应当包括对低功耗工作的电路设计优化、对调节时钟频率以控制功耗的能力进行优化，以及对某段时间内不使用的外设的时钟关断进行优化。 这些优化可以实现800 uA以内的功耗，并让内核工作在能够处理全部所需功能的速率下，比如2 MHz。