新一代智能氣體檢測(cè)方案

隨著電化學(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(duì)于相關(guān)檢測(cè)產(chǎn)品小型化、數(shù)字智能化的需求也愈發(fā)顯著。作為單芯片解決方案，信號(hào)鏈集成內(nèi)置診斷功能將使傳感器被更廣泛地使用，同時(shí)提高準(zhǔn)確性，延長(zhǎng)傳感器壽命，降低維護(hù)成本。

技術(shù)型分銷商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(xì)闡述了ADuCM355氣體檢測(cè)方案與傳統(tǒng)方案相比的優(yōu)勢(shì)，以及設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)和相關(guān)開(kāi)發(fā)資源。

ADuCM355 SOC片上系統(tǒng)的架構(gòu)與特性

圖1 ADUCM355片內(nèi)架構(gòu)圖

圖2 ADuCM355 AFE DIE≈AD5940/1

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

如圖2，ADucM355 AFE的功能框圖架構(gòu)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(fù)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(cè)量的高速TIA

    → 輸出上的可編程增益放大器

    → 阻抗測(cè)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(nèi)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(fù)用器

    → 輸入緩沖器，PGA

·2.5 V 和 1.82 V 片內(nèi)精密基準(zhǔn)電壓源

·模擬硬件加速器

    → 數(shù)字波形發(fā)生器

    → DFT 和數(shù)字濾波器

·內(nèi)部溫度傳感器，±2°C精度

√ 微處理器

·26 MHz Arm Cortex-M3處理器

·串行線端口支持代碼下載和調(diào)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(cè)SOC方案優(yōu)勢(shì)

1. 高集成度-降低信號(hào)鏈設(shè)計(jì)復(fù)雜性

圖3 典型傳統(tǒng)的電化學(xué)氣體檢測(cè)信號(hào)鏈

圖4 ADuCM355電化學(xué)氣體檢測(cè)信號(hào)鏈

通過(guò)對(duì)ADuCM355內(nèi)部架構(gòu)的了解。以及圖3&4、傳統(tǒng)電化學(xué)氣體檢測(cè)方案與ADuCM355方案的對(duì)比，ADuCM355方案優(yōu)勢(shì)：高度集成化、數(shù)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(dǎo)入ADuCM355方案評(píng)估的最重要因素。

2. 超低功耗

圖5 低帶寬回路保持EC參考極的偏置電壓

如常見(jiàn)的三電極電化學(xué)傳感器，根據(jù)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(shì)器電路設(shè)置參考電極引腳上的電壓。CE引腳和RE引腳上的電壓稱為VBIAS。6位輸出設(shè)置LPTIA_P節(jié)點(diǎn)上的偏置電壓;此輸出設(shè)置感應(yīng)電極引腳SE上的電壓。該電壓稱為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(cè)量狀態(tài)BIAS模式下，這個(gè)系統(tǒng)電路可以做到8uA的超低功耗。傳感器工作測(cè)量時(shí)4.9mA。

3. 高測(cè)量精度

圖6 ADC ENOB，基于RMS噪聲

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(zhuǎn)換為可由ADC測(cè)量的電壓信號(hào)。16BIT高分辨率 SAR ADC，內(nèi)部高精度20ppm 1.82Vref作為ADC基準(zhǔn)源，加以可編程的數(shù)字濾波器，可做到如圖6高達(dá)15BIT有效位數(shù)的采集精度。

4. 可診斷可預(yù)測(cè)型-電化學(xué)阻抗譜分析

圖7 High Bandwidth Loop 高帶寬回路比例法測(cè)量EC阻抗

隨著電化學(xué)應(yīng)用的發(fā)展，執(zhí)行診斷測(cè)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(dá)200Khz交流信號(hào)激勵(lì)傳感器，配合復(fù)數(shù)阻抗測(cè)量(DFT)引擎，可幫助客戶有效的診斷傳感器的健康狀態(tài)。

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

ADuCM355設(shè)計(jì)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(diào)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(píng)估，配合硬件參考手冊(cè)，根據(jù)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(shè)計(jì)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(cè)應(yīng)用的產(chǎn)品中擁有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)、潛力，在世健公司的支持下，山東區(qū)域幾家環(huán)保企業(yè)已陸續(xù)導(dǎo)入評(píng)估ADuCM355、AD5941氣體檢測(cè)方案，已有成功應(yīng)用案例，等待產(chǎn)品量產(chǎn)上市。