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摘要：本文通過介紹幾種不同的現(xiàn)場儀器儀表的缺點與不足，分析了ARM M3/M4處理器內(nèi)核與適當(dāng)?shù)哪M元件集成后，如何實現(xiàn)現(xiàn)場儀器儀表應(yīng)用的系統(tǒng)級優(yōu)化。 一般而言，新一代嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)包括： 更高的性能、更低的成本、更低的功耗、增加有線和無線連接能力、更小的尺寸以及更高的整體系統(tǒng)效率。 實現(xiàn)上述任意單一目標(biāo)都不是件容易的事情;因此，涵蓋多個指標(biāo)的解決方案必須依靠多個元件的集成。 采用仔細選擇的模擬元件、32位ARM處理器內(nèi)核以及合適的數(shù)字外設(shè)組合，能以分立式解決方案所無法實現(xiàn)的方式達成這些目標(biāo)。 影響最大的集成元件有：模擬放大器、ADC、DAC、基準電壓源、溫度傳感器、無線收發(fā)器和信號處理加速器。 有很多應(yīng)用領(lǐng)域都具有潛在優(yōu)勢，包括：工業(yè)現(xiàn)場儀器儀表應(yīng)用/精密檢測、電機控制、太陽能逆變器等。 現(xiàn)場儀器儀表： 過程控制中的低功耗傳感器 現(xiàn)場儀器儀表是過程控制系統(tǒng)的一部分。后者廣泛用于各種領(lǐng)域，比如石油和天然氣處理、食品處理、汽車以及半導(dǎo)體制造等。 它們常常部署在惡劣環(huán)境下，比如需要遠程控制、具有極端溫度和安全風(fēng)險(如爆炸危險)等。 在這些困難條件下，器件必須能夠可靠、準確地測量過程變量，如溫度、壓力和流速。 由于要接觸這些設(shè)備具有一定的難度，因此未來的趨勢是將它們設(shè)計得更為智能化，從而更高效地進行通信、自我校準以及更好地診斷問題。 在網(wǎng)絡(luò)邊緣中引入智能是很多應(yīng)用共有的趨勢，助推新一代嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)向更激進的方向發(fā)展。 就現(xiàn)場儀器儀表而言，難點在于增加新功能而不增加功耗、尺寸并且不影響測量性能。 在現(xiàn)場儀器儀表中加入新功能的特定例子有：HART調(diào)制解調(diào)器的通信功能、電子電路診斷功能以及尺寸更大、分辨率更高的顯示器。 此外，若要為現(xiàn)場儀器儀表優(yōu)化模擬微控制器，則必須首先了解行業(yè)趨勢，然后還要深入理解系統(tǒng)級要求。 擁有系統(tǒng)知識，便可選擇正確的集成模塊。 對于單芯片數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)來說，從電路級架構(gòu)角度出發(fā)，可以獲得大量的系統(tǒng)級優(yōu)勢。 這便為實現(xiàn)激進的功耗、尺寸和性能目標(biāo)提供了可能性。 實現(xiàn)高效而靈活的現(xiàn)場儀器儀表數(shù)據(jù)采集方案所需的IP有： 模擬多路復(fù)用、儀表放大器、Σ-Δ型ADC、基準電壓源、可編程電流源、ARM M3微控制器內(nèi)核、Flash、定時器、看門狗和數(shù)字串行接口。 框圖顯示針對現(xiàn)場儀器儀表優(yōu)化的IP，經(jīng)過集成后，它們可良好地協(xié)調(diào)工作，從而提供能效與尺寸方面的優(yōu)勢，并允許加入額外功能。 大部分現(xiàn)場儀器儀表設(shè)備通過雙線式模擬環(huán)路通信，采用4 mA-20 mA電流信號。 這類環(huán)路使用廣泛的原因是它們成本低、穩(wěn)定性高，并且具有噪聲抗擾度，不會產(chǎn)生壓降。 另外，4 mA-20 mA環(huán)路還可用來為現(xiàn)場儀器儀表供電。 這種受限型電源使得儀器儀表對電源十分敏感，即吸取的電流必須低于環(huán)路源電流能力的下限4 mA。 具體而言，電流預(yù)算為3.5 mA。 現(xiàn)場儀器儀表中全部電子器件的總消耗電流不可超過該值。 對于數(shù)據(jù)采集元件而言——包括信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理、診斷、校準和控制——此部分預(yù)算需小于2 mA。 從系統(tǒng)角度來理解這個預(yù)算，便能針對應(yīng)用設(shè)計并優(yōu)化集成式模擬微控制器。 模擬微控制器中的所有主要IP模塊都需針對功耗進行優(yōu)化，滿足2 mA以內(nèi)的功耗目標(biāo)。 實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵器件有：儀表放大器、ADC和微控制器子系統(tǒng)。 單個ADC通道的功耗目標(biāo)為150 uA以內(nèi)。 對微控制器子系統(tǒng)進行功耗優(yōu)化時，應(yīng)當(dāng)包括對低功耗工作的電路設(shè)計優(yōu)化、對調(diào)節(jié)時鐘頻率以控制功耗的能力進行優(yōu)化，以及對某段時間內(nèi)不使用的外設(shè)的時鐘關(guān)斷進行優(yōu)化。 這些優(yōu)化可以實現(xiàn)800 uA以內(nèi)的功耗，并讓內(nèi)核工作在能夠處理全部所需功能的速率下，比如2 MHz。 除了功耗，選擇正確的ADC并進行適當(dāng)配置對于性能和尺寸而言同樣十分重要。 系統(tǒng)性能是ADC效果最直觀的反映。 ADC精度越高，過程變量的測量結(jié)果就越精確。 這最終會提升控制能力和性能。 對于現(xiàn)場儀器儀表而言，16位分辨率是較為常見的要求，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器便能很好地滿足這種精度要求。 在現(xiàn)場儀器儀表設(shè)計中，經(jīng)常會出現(xiàn)兩個或更多傳感器。 這類應(yīng)用實例有：溫度測量和壓力測量。 這對ADC、儀表放大器和多路復(fù)用芯片設(shè)計的配置都會有影響。 集成兩個ADC，就能測量兩個過程變量。 采用多路復(fù)用可增加輸入數(shù)量。 對于溫度測量而言，可以將一個ADC與熱電偶對接，另一個ADC與電阻溫度檢測器(RTD)對接。 熱電偶的電壓輸出與兩個端點之間的溫度差成正比， 其一端參考目標(biāo)(比如極高溫金屬)，另一端參考電子元件的溫度。 第二個ADC用來測量RTD，后者為電子元件提供絕對參考溫度。 利用參考溫度及其與目標(biāo)之間的差異，目標(biāo)溫度便能由ARM M3微控制器內(nèi)核精確計算得出。 對于壓力測量而言，主ADC測量阻性電橋壓力傳感器。 第二個ADC測量溫度，以便用于溫度補償以及提供整個溫度范圍內(nèi)的更佳精度。 靈活的多路復(fù)用允許測量靜態(tài)壓力補償值。 需要提供額外功能并保持尺寸與功耗預(yù)算不變的一個例子便是HART(可尋址遠程傳感器高速通道)調(diào)制解調(diào)器功能。 HART調(diào)制解調(diào)器采用數(shù)字雙向通信標(biāo)準，它在標(biāo)準4 mA至20 mA模擬環(huán)路上調(diào)制一個1 mA峰峰值FSK信號。 若要加入這個功能，就必須在總功耗預(yù)算中留出裕量。 前文所討論的優(yōu)化在這種情況下適用。 另外，還需考慮微控制器子系統(tǒng)。 微控制器內(nèi)核需實現(xiàn)該性能，同時保持能效以控制HART調(diào)制解調(diào)器并驅(qū)動環(huán)路供電型DAC，它還需執(zhí)行處理測量數(shù)據(jù)、診斷和校準等任務(wù)。 選擇正確的元件實現(xiàn)芯片級集成和優(yōu)化固然重要，但開發(fā)高效率集成系統(tǒng)還需要掌握目標(biāo)市場要求與趨勢等豐富知識。 系統(tǒng)級目標(biāo)——比如增加功能而不增加功耗水平與尺寸——要求芯片供應(yīng)商與最終系統(tǒng)開發(fā)商之間展開密切合作。 為了便于展開這種合作，半導(dǎo)體供應(yīng)商需對電路板級要求具有充分的理解，例如：外形尺寸、溫度范圍、制造工藝、功耗、成本以及信號鏈中的補充器件。 |
