隨著電化學傳感器技術的發(fā)展，萬物互聯(lián)時代的到來，市場對于相關檢測產品小型化、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(tǒng)方案相比的優(yōu)勢，以及設計中的注意點和相關開發(fā)資源。

ADuCM355 SOC片上系統(tǒng)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(shù)字波形發(fā)生器

    → DFT 和數(shù)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(yōu)勢

1. 高集成度-降低信號鏈設計復雜性

圖3 典型傳統(tǒng)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(tǒng)電化學氣體檢測方案與ADuCM355方案的對比，ADuCM355方案優(yōu)勢：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(jù)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(jié)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(tài)BIAS模式下，這個系統(tǒng)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200?至512k?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(shù)字濾波器，可做到如圖6高達15BIT有效位數(shù)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(fā)展，執(zhí)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(shù)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(tài)。

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(fā)環(huán)境

圖8 硬件連接、可支持電化學傳感器

IAR 軟件開發(fā)調試環(huán)境，ADI可提供ADuCM355全套參考代碼。如圖10所示 355_ECSns_2E code，可直接燒錄評估，配合硬件參考手冊，根據(jù)實際需求，個性化開發(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計代碼，縮短開發(fā)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(yōu)勢、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。