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作者：世健 隨著電化學傳感器技術的發展，萬物互聯時代的到來，市場對于相關檢測產品小型化、數字智能化的需求也愈發顯著。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，同時提高準確性，延長傳感器壽命，降低維護成本。 技術型分銷商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勢，以及設計中的注意點和相關開發資源。 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，實際是=兩個DIE封裝的技術架構，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會多一些。 ADuCM355 AFE模擬前端 LOW BANDWIDTH LOOP 低帶寬回路 兩個雙通道輸出電壓DAC 兩個低功耗、低噪聲放大器（AD594X=1個） 兩個低功耗、低噪聲TIA（AD594X=1個） 可編程負載和增益電阻 HIGH BANDWIDTH LOOP 高帶寬回路 1個高速12位電壓DAC 1個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 超低泄漏開關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GPIO引腳 通用、喚醒和看門狗定時器 ADuCM355氣體檢測SOC方案優勢 1. 高集成度-降低信號鏈設計復雜性
圖3 典型傳統的電化學氣體檢測信號鏈
圖4 ADuCM355電化學氣體檢測信號鏈 通過對ADuCM355內部架構的了解。以及圖3&4、傳統電化學氣體檢測方案與ADuCM355方案的對比，ADuCM355方案優勢：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保企業工程師推廣交流，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
圖5 低帶寬回路保持EC參考極的偏置電壓 如常見的三電極電化學傳感器，根據電化學傳感器工作原理，12位VDAC輸出通過圖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引腳上的電壓稱為VBIAS。6位輸出設置LPTIA_P節點上的偏置電壓；此輸出設置感應電極引腳SE上的電壓。該電壓稱為VZERO。傳感器上的VBIAS偏置電壓實際上是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BIAS模式下，這個系統電路可以做到8uA的超低功耗。傳感器工作測量時4.9mA。 3. 高測量精度
圖6 ADC ENOB，基于RMS噪聲 電化學傳感器連接ADuCM355低帶寬回路，輸出非常小的電流經低功耗（LPTIA TIA支持200Ω至512kΩ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。 4. 可診斷可預測型-電化學阻抗譜分析
圖7 High Bandwidth Loop 高帶寬回路比例法測量EC阻抗 隨著電化學應用的發展，執行診斷測量具有重要價值。電化學阻抗譜分析如圖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，可幫助客戶有效的診斷傳感器的健康狀態。 對于某些類型的傳感器，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。還必須通過設置AFECON位21來使能高速DAC直流緩沖器。 ADuCM355設計開發環境
圖8 硬件連接、可支持電化學傳感器
IAR 軟件開發調試環境，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，根據實際需求，個性化開發。
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，縮短開發周期。ADuCM355方案在新一代電化學氣體檢測應用的產品中擁有強大的優勢、潛力，在世健公司的支持下，山東區域幾家環保企業已陸續導入評估ADuCM355、AD5941氣體檢測方案，已有成功應用案例，等待產品量產上市。 |
