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,，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。還必須通過設(shè)置AFECON位21來使能高速DAC直流緩沖器,。
ADuCM355設(shè)計(jì)開發(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。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商,，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM),、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù),。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,，為新的科技與趨勢(shì)作出定位，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中,。集團(tuán)分別在新加坡,、中國(guó)及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案,，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域,。
世健是新加坡的主板上市公司,，總部設(shè)于新加坡，擁有約750名員工,，業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個(gè)城市和地區(qū),，遍及新加坡、馬來西亞,、泰國(guó),、越南、中國(guó),、印度,、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國(guó)家,。世健集團(tuán)在2019年的年?duì)I業(yè)額超過9億7千萬(wàn)美元,。1993年,，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國(guó)業(yè)務(wù),。目前,，世健在中國(guó)擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國(guó)主要大中型城市,。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì),、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，世健在中國(guó)業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位,。