满足物联网低功耗设计的传感器融合

传感器融合几乎是不言自明的，因为它结合了来自多个传感器的数据，以便在比单个传感器通常可能的更广泛的环境中提供信息。然而，解释它和做它之间有一个明显的区别 - 可靠。如果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，并可能产生误导性结果。

为了避免这种情况，有些IC提供更先进的多通道信号转换功能，让设计人员更轻松地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性。

无论是物联网（IoT），独立嵌入式还是任何传感器处理应用程序，同步多通道数据采集可以对精度，动态范围和带宽提出截然不同的要求。例如，用于在高能物理实验中捕获事件的多传感器阵列需要具有专用信号通道的超高速闪速转换器，其能够在千兆赫兹频率下高度同步转换。相比之下，带有集成ADC的简单8位MCU可能足以每隔几分钟捕获一次气候监测系统的温度，风和大气压力。

对于物联网，许多传感器融合应用可能会出现介于这两个极端之间的要求 - 增加了对简化设计，占用空间小和功耗低的要求。然而，在这个广泛的范围内，物联网设计人员仍然可以面对专业信号链的要求，包括优化的组件或紧凑，高度集成系统的面部要求。无论实施方法如何，目标都保持不变：确保跨多个传感器的可靠，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馈送高速模数转换器（ADC）的多路复用器。然而，对于需要严格同步测量的应用，多路复用器切换和输入信号稳定所需的时间对于期望同时进行传感器测量的传感器融合应用而言可能存在问题。

德州仪器ADS131E08S是其中之一新兴的模拟前端（AFE）IC，为每个模拟输入通道提供专用信号路径，提供真正的多通道同步采样功能。器件中的每个通道都包含一个完整的信号路径，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，上图）。依次是8个CHnSET寄存器允许开发人员以编程方式配置每个通道的工作特性，甚至可以向上或向下驱动通道（图1，底部）。

图1：德州仪器ADS131E08S模拟前端IC提供8个完整的传感器信号链（顶部）;每个通道可通过其自己的CHnSET寄存器（n = 1至8）进行软件配置（底部），允许开发人员设置输入源（MUX [2： 0]）和PGA增益（GAINn [2：0]）甚至为单个通道上电或下电（PDn）供电。（来源：德州仪器）

如前所述，ADS131E08S的独特功能它是每通道多路复用器功能。虽然更传统的多通道ADC中的多路复用器将不同的模拟输入引脚连接到ADC，但ADS131E08S' s通道多路复用器提供测试每个通道的机制。通过将CHnSet寄存器中的MUX [0-2]位设置为通道（n），工程师可以将通道n的信号源设置为内部生成的信号，以进行测试，温度和故障检测（图2）。 p>

图2：使用MUX [2：0]位，设计人员可以配置集成在TI ADS131E08S每个通道中的专用输入多路复用器，以支持各种信号 - 用于信号测量，温度测量，校准和诊断的切换选项。 （来源：德州仪器）

在每个通道内，多路复用器的输出传递给可配置的PGA，包括两个差分配置的运算放大器。使用每个通道的CHnSET寄存器，用户可以将PGA增益设置为以下五种设置之一：1,2,4,8和12.最后，每个通道的信号链使用针对低优化的二阶调制器馈入其专用ΔΣADC - 电源操作。

简化操作

该设备提供硬件和软件机制，用于同时执行多通道传感器测量。设计人员可以通过将器件的START引脚设置为高电平或通过器件的串行外设接口（SPI）兼容接口发送START命令来启动转换。反过来，器件ADC开始转换输入信号，将数据就绪指示器DRDY拉高。下一个DRDY下降沿表示转换已完成且转换结果已准备就绪。在典型的基于MCU的系统中，MCU将监控DRDY并使用SPI兼容接口读取数据。

该器件广泛的集成功能集还简化了硬件设计。除SPI兼容接口外，该器件还包括GPIO引脚，片上振荡器，集成参考源和模拟比较器。因此，工程师可以简单地将TI ADS131E08S与微控制器相结合，以创建完整的多通道同步采样设计。

即使它仅消耗2 mW/通道，ADS131E08S也支持高达数据转换速率每通道64 Ksamples/s。如果需要八个以上的通道，设计人员可以级联多个器件，使用相同的START信号启动所有级联器件的同步转换（图3）。多个设备可以使用相同的SPI兼容总线;主机处理器将使用自己的GPIO信号分别选择特定的ADS131E08S器件来发送命令或接收数据。

图3：设计人员可以级联多个ADS131E08S AFE可以同时测量8个以上的通道，使用主机处理器的GPIO信号作为跨共享SPI连接的每个器件的片选。 （来源：德州仪器）

综合方法

使用专用AFE（例如TI ADS131E08S）对于需要某些专门的传感器采集或信号处理的应用特别有效 - 特别是在需要更多通道或额外的高性能处理能力超过需要的情况下紧凑的设计。在绝对最小占位面积是主要要求的情况下，设计人员可以求助于ADI公司的ADuCM320i等器件，该器件能够为多通道同步数据采集提供单芯片解决方案。 ADuCM320i非常适合复杂的传感器应用，它将ARM®Cortex®-M3处理器内核与片上闪存，SRAM以及丰富的模拟和数字外设集成在一起（图4）。

图4：ADI公司ADuCM320i可作为完整的1 MSPS多通道传感器数据采集系统，集成了处理器，SRAM，闪存，ADC，电流输出通道和片上PLA。 （图像来源：ADI公司）

在这些外设中，ADuCM320i提供四个电流输出数模转换器（DAC）。电流DAC（或IDAC）能够提供0 mA至150 mA满量程，为需要激励电流进行操作的电阻式传感器提供有效的解决方案。该器件还集成了一个完全可编程逻辑阵列（PLA），包括四个独立但互连的PLA模块，每个模块提供八个PLA元件。每个PLA元素都包含一个双输入查找表，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功能。

器件的核心仍然是其片内ADC，提供最多16个输入引脚上的14位数据采集，可配置为单端或差分操作。 ADC模块包括一个多通道多路复用器，用于高阻抗输入通道的输入缓冲器，片上基准电压源和逐次逼近寄存器（SAR）ADC。虽然该器件采用传统方法，其中单个片上多路复用器为ADC提供单独的模拟输入，但它能够实现1 MSPS操作。在这些速率下，实际测量时间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。

设备只需要一个简单的操作序列即可执行转换。例如，要设置ADC并使用单端测量在模拟输入通道0（AIN0）上生成单次转换，工程师将首先通过设置寄存器来配置器件，如下所示：

<代码> ADCCON = 0x280;//上电ADC，使能参考缓冲器，空闲模式

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

//和ADC_REFN作为负ADC输入（AIN - ）

ADCCNVC = 0xA00C8;//选择100 kSPS ADC更新速率和500 ns采集时间

ADCCON | = 0x2;//启用单次转换

转换完成后，器件发出中断，允许中断处理程序从ADC输出寄存器ADCDAT0读取通道0的转换数据。

ADuCM320i可以从编程器指定的通道组执行指定的测量序列，从而降低采样的处理器开销并优化功耗。通过这种方法，工程师对ADCSEQ [0:28]寄存器进行编程，以指定要包含在转换序列中的通道，包括通过设置其相应位或通过清除其位来排除该通道的特定通道。

该器件允许工程师利用器件的直接存储器访问（DMA）功能进一步降低处理器开销（和功耗）。在这里，设计人员可以对器件进行编程，使用ADC或ADC序列发生器作为DMA控制器的源通道，在完成所选通道或通道序列的转换后，可以自动将ADC结果直接移入SRAM，无需处理器干预。

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，但成功在很大程度上取决于来自多个传感器的信号的同步转换。对于物联网设备设计人员而言，传统的转换解决方案可能会使确保多通道数据转换同步的任务复杂化。高度集成的IC为设计人员提供了简单有效的解决方案，可实现同步或近同步多通道转换，非常适合满足物联网紧凑，低功耗设计的广泛要求。