专业设备将同步到物联网传感器融合---凯利讯半导体

　　传感器融合几乎是不言自明的，因为它结合了多个传感器的数据，在更广泛的背景下提供信息，而不是单一的传感器。然而，解释它和做它之间有明显的区别——可靠。没有这些传感器读数的紧密同步，传感器融合算法很快就会失去准确性，并可能带来误导性的结果。

　　为了避免这种情况，有些ICs提供了更先进的多通道信号转换功能，让设计人员更容易构建能够精确测量多个传感器的系统，同时保持高可靠性传感器融合应用所需的紧密同步。

　　无论是物联网(物联网)、独立嵌入式系统，还是任何传感器处理应用程序，同步多通道数据采集都可以为精度、动态范围和带宽带来截然不同的需求。例如，在高能物理实验中捕获事件的多传感器阵列需要超高速闪光转换器，其专用信号通道能够在千兆赫频率上进行高度同步转换。相比之下，一个简单的8位单片机与集成ADC可能足以捕获温度，风，和大气压力每几分钟的天气监测系统。

　　对于物联网来说，许多传感器融合应用程序很可能会给出介于这些极端之间的需求——对于简化设计、小内存占用和低功耗的需求。然而，在这个广泛的范围内，IoT的设计者仍然可以面对包含优化组件的专用信号链的需求，或者对紧凑、高度集成的系统的外观要求。无论实现方法如何，目标都是相同的:确保跨多个传感器进行可靠的同步转换。

　　专用信号链

　　在超高速应用之外，多通道数据转换系统通常依赖于一个多路复用器来提供高速模数转换器(ADC)。然而，对于需要紧密同步测量的应用程序，多路复用器切换和输入信号处理的时间对于期望同时测量传感器的传感器融合应用来说是有问题的。

　　德州仪器ADS131E08S是一种新兴的模拟前端(AFE) ICs，它为每个模拟输入通道提供专用的信号通路，提供真正的多通道、同时采样能力。设备包括一个完整的信号路径中的每个通道包括电磁干扰(EMI滤波器、多路复用器、可编程增益放大器(PGA)和24位delta-sigma(ΔΣ)ADC(图1)。相应地，8个CHnSET寄存器允许开发人员通过编程的方式配置每个通道的操作特性，甚至使通道向上或向下(图1，底部)。

　　德州仪器的示意图，ADS131E08S模拟前端集成电路。

　　图1:德州仪器ADS131E08S模拟前端集成电路提供8个完整的传感器信号链(顶部);每个通道都可以通过自己的CHnSET寄存器(n=1到8)进行软件可配置(底部)，允许开发人员设置输入源(MUX[2:0])和PGA增益(GAINn[2:0])，甚至可以设置单个通道(PDn)。(来源:凯利讯半导体)

　　正如前面提到的，ADS131E08S的一个独特的特性是它的每个通道多路复用特性。当一个mux在一个更传统的多通道ADC中连接不同的模拟输入引脚到ADC时，ADS131E08S的通道多路复用器提供了一个测试每个通道的机制。通过在一个通道(n)的CHnSet寄存器中设置位MUX[0-2]，工程师可以将通道n的信号源设置为测试、温度和故障检测的内部生成信号(图2)。

　　德州仪器仪表ADS131E08S。

　　图2:使用MUX[2:0]位，设计人员可以配置TI ADS131E08S各通道的专用输入多路复用器，以支持信号测量、温度测量、校准和诊断的多种信号切换选项。(来源:凯利讯半导体)

　　在每个通道内，mux的输出传递给一个可配置的PGA，它包含一个微分配置中的两个运算放大器。使用每个通道的CHnSET寄存器，用户可以将PGA增益设置为五个设置中的一个:1、2、4、8和12。最后,每个频道的信号链提要到专用ΔΣADC使用二阶调节器为低功耗优化操作。

　　简化操作

　　该设备提供硬件和软件机制，以执行同时多通道传感器测量。设计者可以通过设置设备的启动识别码，或者通过设备的串行外围接口(SPI)兼容接口来开始转换。然后，设备adc开始转换输入信号，拉出数据就绪显示器DRDY高。下一个DRDY下降边表明转换是完整的，转换结果已经准备好。在一个典型的基于MCU的系统中，MCU将监控DRDY并使用与spic兼容的接口来读取数据。

　　该设备的广泛集成功能集也简化了硬件设计。该设备除了与spic兼容的接口外，还包括了GPIO插脚、芯片上的振荡器、集成的参考源和模拟比较器。因此，工程师可以简单地将TI ADS131E08S与一个微控制器结合起来，创建一个完整的多通道、同时采样设计。

　　虽然ADS131E08S只绘制了2mw /channel，但它支持的数据转换速率高达64 Ksamples/s /s。如果需要超过8个通道，设计人员可以使用相同的启动信号来启动多个设备，在所有级联设备上启动同步转换(图3)。多个设备可以使用相同的spic兼容总线;主机处理器将使用自己的GPIO信号来单独选择一个特定的ADS131E08S设备来传输命令或接收数据。

　　模拟装置图ADS131E08S AFE。

　　图3:设计人员可以将多个ADS131E08S afe级联用于同时测量8个以上的通道，使用主机处理器的GPIO信号作为每个设备在共享SPI连接上的芯片选择。(来源:凯利讯半导体)

　　综合方法

　　使用专门的AFE，如TI ADS131E08S，对于需要一些专门的传感器采集或信号处理的应用程序尤其有效——特别是在需要更多的通道或额外的高性能处理能力的地方，它的重要性超过了紧凑设计的需要。在绝对最小占用率是主要需求的情况下，设计人员可以转向类似于ADuCM320i这样的设备，能够为多通道同步数据采集提供单芯片解决方案。适合复杂的传感器应用,ADuCM320i集成了一个手臂®皮层®m3处理器核心芯片上的闪存,SRAM和一组丰富的模拟和数字外围设备(图4)。

　　模拟装置图ADuCM320i。

　　图4:模拟装置ADuCM320i可以作为一个完整的1 MSPS多通道传感器数据采集系统，结合了集成处理器、SRAM、flash、ADC、当前输出通道和芯片PLA。(图片来源:模拟设备)

　　在这些外围设备中，ADuCM320i提供4个电流输出数字-模拟转换器(DACs)。目前的DACs(或IDACs)能够提供0到150 mA的全尺寸的电阻传感器，这是一个有效的解决方案，需要一个励磁电流进行操作。该设备还集成了一个完全可编程逻辑阵列(PLA)，由四个独立但相互连接的PLA模块组成，每个模块提供8个PLA元素。每个PLA元素包含一个双输入查找表，它可以配置为基于两个输入和一个触发器生成任何逻辑输出函数。

　　该设备的核心仍然是芯片ADC，提供14位数据采集，最多16个输入引脚，可配置为单端或差动操作。ADC模块包括多通道多路复用器、高阻抗输入通道的输入缓冲区、芯片上的参考和逐次逼近寄存器(SAR) ADC。虽然该设备使用传统的方法，即单个芯片多路复用器为ADC提供单独的模拟输入，但它能够实现1个MSPS操作。在这些速率下，在实际测量时间上的微小差异对大多数针对物联网的传感器融合应用几乎没有影响。

　　该设备只需要一个简单的操作序列来执行转换。例如，为了设置ADC并在模拟输入通道0 (AIN0)上使用单端测量产生一个单一的转换，工程师首先通过设置寄存器来配置该设备:

　　ADCCON = 0 x280;//打开ADC，启用参考缓冲区，空闲模式。

　　ADCCHA = 0 x1100;//选择AIN0作为正向ADC输入(AIN+)

　　/ /和ADC_REFN - ADC输入(AIN−)

　　ADCCNVC = 0 xa00c8;//选择100个kSPS ADC更新率和500个ns获取时间。

　　ADCCON | = 0 x2;/ /启用单转换

　　在完成转换后，设备发出一个中断，允许中断处理例程从ADC输出寄存器ADCDAT0读取转换后的数据。

　　ADuCM320i可以从程序指定的通道组中执行指定的测量序列，减少了采样和优化功耗的处理器开销。通过这种方法，工程师程序设计了ADCSEQ[0:28]寄存器来指定在转换序列中包含的通道，包括通过设置相应的比特或排除该信道的比特来指定信道。

　　该设备允许工程师利用设备的直接内存访问(DMA)功能进一步减少处理器开销(和功率利用率)。在这里，设计人员将程序设计为使用ADC或ADC音序器作为DMA控制器的源通道，它自动将ADC结果直接移动到SRAM中，而不需要处理器干预完成所选通道或通道序列的转换。

　　结论

　　传感器融合可以为物联网应用带来丰富的上下文信息，但是成功很大程度上依赖于来自多个传感器的同步信号转换。对于IoT设备设计人员来说，传统的转换解决方案可能会使多通道数据转换中确保同步的任务变得更加复杂。高度集成的ICs为设计人员提供了简单、有效的解决方案，以实现同时或近乎同步的多通道转换，适合于满足广泛的需求，为物联网提供紧凑、低功耗的设计。