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(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,，信號鏈集成內(nèi)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(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,，實際是=兩個DIE封裝的技術架構(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(nèi)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(nèi)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(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(nèi)部架構(gòu)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(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測量的電壓信號,。16BIT高分辨率 SAR ADC,，內(nèi)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(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(chǎn)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(chǎn)品量產(chǎn)上市,。

關于世健——亞太區(qū)領先的元器件授權代理商

世健是完整解決方案的供應商，為亞洲電子廠商包括原設備生產(chǎn)商(OEM),、原設計生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件,、工程設計及供應鏈管理服務。

世健與供應商及電子廠商緊密協(xié)作,，為新的科技與趨勢作出定位,，并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產(chǎn)品當中。集團分別在新加坡,、中國及越南設有研發(fā)中心,，專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間,。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設計可應用于工業(yè),、無線通信及消費電子等領域,。

世健是新加坡的主板上市公司,，總部設于新加坡，擁有約750名員工,，業(yè)務范圍已擴展至亞太區(qū)40多個城市和地區(qū),，遍及新加坡,、馬來西亞、泰國,、越南,、中國、印度,、印度尼西亞,、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。世健集團在2019年的年營業(yè)額超過9億7千萬美元,。1993年,，世健在香港設立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國業(yè)務,。目前,，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市,。憑借專業(yè)的研發(fā)團隊,、頂尖的現(xiàn)場應用支持以及豐富的市場經(jīng)驗，世健在中國業(yè)內(nèi)享有領先地位,。