物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 傳感器背板推動了將多個傳感器輸入關(guān)聯(lián)到單個節(jié)點的需求，以限度地減少無線網(wǎng)關(guān)上的工作負(fù)載并實現(xiàn)不顯眼且具有成本效益的外形尺寸解決方案。這些也是工業(yè) 4.0 要求定義的需求，在工業(yè) 4.0 要求中，智能網(wǎng)絡(luò)傳感器被要求在工業(yè)工廠環(huán)境中提供全自動控制環(huán)境，并考慮多個傳感參數(shù)。這些參數(shù)包括溫度、壓力、流量、位置等。還要求傳感器背板支持 PHY 層接口到有線通信協(xié)議，從而限度地減少系統(tǒng)組件的數(shù)量。

這種雙峰性要求節(jié)點接口管理各種輸入和輸出信號，從而管理不同的信號調(diào)節(jié)解決方案。在本文中，我們討論了將可配置模擬架構(gòu)集成到 16 位微控制器 (MCU) 中的好處，該架構(gòu)可滿足各種傳感器節(jié)點的信號調(diào)節(jié)要求。模塊化模擬架構(gòu)可通過寄存器設(shè)置進行配置，并支持跨不同模擬模塊和通過微控制器進行額外數(shù)據(jù)處理的動態(tài)接口。根據(jù)許多物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 傳感器背板的要求，提供了幾個由可配置傳感器接口啟用的信號調(diào)理電路示例，并將實際電路結(jié)果與信號轉(zhuǎn)換的相應(yīng) SPICE 仿真進行了比較。

嵌入式靈活模擬架構(gòu)的優(yōu)勢 
模擬前端為構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 傳感器背板的終端節(jié)點解決方案提供了現(xiàn)實世界信號和微控制器之間的橋梁。信號調(diào)理實現(xiàn)將連續(xù)時域信號轉(zhuǎn)換為可由嵌入式 MCU 處理的數(shù)字比特流，以提供傳感器輸出參數(shù)的實時校準(zhǔn)和后續(xù)信號調(diào)理，或作用于周圍的世界——在此情況下，以數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的形式出現(xiàn)。

可配置模擬架構(gòu)的數(shù)字控制模擬模塊執(zhí)行關(guān)鍵信號轉(zhuǎn)換，以確保系統(tǒng)內(nèi)的信號兼容性?？赡苄枰M傳感器前端來放大信號，使其符合模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器規(guī)范中的范圍。它還可以提供傳感器輸出電流信號到相應(yīng)電壓信號的轉(zhuǎn)換，以便它可以進一步轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。此外，信號調(diào)理電路必須管理大多數(shù)電阻橋電路中常用的差分電壓信號的放大。，傳感器的輸出響應(yīng)可能會引入干擾主要信號響應(yīng)的高頻或低頻噪聲。

將傳感器信號調(diào)理集成到微控制器中可提供更好的系統(tǒng)功耗，因為功能分布在單個芯片中。這也轉(zhuǎn)化為更高的吞吐量，更快的系統(tǒng)切換時間和更低的系統(tǒng)噪聲。從本質(zhì)上講，這些混合信號設(shè)計還將導(dǎo)致簡化系統(tǒng)設(shè)計，并預(yù)先驗證組件集成的各個方面。通過基于規(guī)范的功能驗證來驗證信號和電源完整性是否符合設(shè)備規(guī)范。這允許系統(tǒng)設(shè)計人員加快設(shè)計過程，因為靈活的模擬架構(gòu)和 MCU 模塊的功能驗證是在不同的操作模式下進行的。這減輕了對電源、串?dāng)_和隨機噪聲（突發(fā)、閃爍，射擊，熱等）。設(shè)計布局經(jīng)過額外優(yōu)化，以確保適當(dāng)?shù)男盘柡碗娫赐暾裕粫^度隔離，這會顯著增加裸片尺寸?？傮w而言，處理多個傳感器輸入信號調(diào)理的單芯片解決方案可減少物料清單 (BOM) 和 PCB 板尺寸。物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 領(lǐng)域中的許多終端設(shè)備應(yīng)用可以受益于嵌入式可配置模擬架構(gòu)支持的小尺寸和低功耗解決方案?？傮w而言，處理多個傳感器輸入信號調(diào)理的單芯片解決方案可減少物料清單 (BOM) 和 PCB 板尺寸。物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 領(lǐng)域中的許多終端設(shè)備應(yīng)用可以受益于嵌入式可配置模擬架構(gòu)支持的小尺寸和低功耗解決方案?？傮w而言，處理多個傳感器輸入信號調(diào)理的單芯片解決方案可減少物料清單 (BOM) 和 PCB 板尺寸。物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 領(lǐng)域中的許多終端設(shè)備應(yīng)用可以受益于嵌入式可配置模擬架構(gòu)支持的小尺寸和低功耗解決方案。

在健康和健身應(yīng)用中，佩戴在身體上的傳感器可以持續(xù)監(jiān)測生理和心理參數(shù)，而無需將患者或運動員拴在有線集線器上。長時間監(jiān)控的需要推動了對超低功耗和低調(diào)設(shè)計的需求。在工廠設(shè)置中，集成到工業(yè)連接器本身的傳感器解決方案推動了對空間非常緊湊的系統(tǒng)解決方案的需求。根據(jù)國際電工委員會 (IEC) 標(biāo)準(zhǔn)定義的連接器目前不要求包含傳感器電子設(shè)備，但正在推動越來越小的外形尺寸，這進一步復(fù)雜化了將傳感器組件集成到有線接口的能力聯(lián)系。在樓宇自動化應(yīng)用中，傳感器端節(jié)點被要求管理多個傳感器的信號調(diào)理，監(jiān)測溫度、濕度、光線、運動和聲音等參數(shù)。這些傳感器終端節(jié)點無處不在的特性推動了在單個組件節(jié)點內(nèi)集成多個模塊要求的需求。其中包括傳感器信號調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和組件數(shù)據(jù)處理。

可配置模擬架構(gòu) 
圖 1 突出顯示了可配置模擬架構(gòu)。在本例中，我們展示了運算放大器的框圖。內(nèi)部和外部連接由寄存器設(shè)置啟用，寄存器設(shè)置提供靈活的架構(gòu)以支持多個傳感器信號調(diào)節(jié)需求。此外，這些模擬模塊支持獨立于中央處理器 (CPU) 的采樣模式，從而提供極低功耗的系統(tǒng)解決方案。

點擊查看大圖 
圖 1. 可配置模擬架構(gòu)（）

這種可配置模擬架構(gòu)的是通用運算放大器，它可通過軟件配置以支持前面討論的不同傳感器信號調(diào)節(jié)要求。三端器件可配置為跨阻放大器 (TIA)、反相和非反相放大器、差分放大器、求和放大器以及低通和高通濾波器。使用模擬架構(gòu)上的電阻階梯，可以對運算放大器進行編程以支持多個放大器增益。此外，輸入可以支持外部反饋電阻器，以提供比集成電阻梯可獲得的增益更大的增益。該模塊的主要特性包括單電源供電、軌到軌輸出和可編程穩(wěn)定時間與功耗。

可配置模擬架構(gòu)中的其余模塊包括 DAC、ADC 和比較器。選擇 DAC 和 ADC 的分辨率位是為了實現(xiàn)應(yīng)用要求的傳感器靈敏度。這些組件的可配置性類似于運算放大器的可配置性，并通過用戶可訪問的寄存器設(shè)置啟用?？膳渲玫哪M架構(gòu)可以設(shè)置為獨立于 CPU 運行，從而實現(xiàn)非常節(jié)能的解決方案。模擬架構(gòu)中的各個模塊可以配置為支持不同的信號鏈解決方案，只要不同傳感器的采樣不必同時執(zhí)行并且信號調(diào)節(jié)電路中不使用相同的模擬模塊即可。內(nèi)置的內(nèi)部多路復(fù)用器驅(qū)動多通道輸入之間的切換時間在納秒范圍內(nèi)。未來的解決方案將在嵌入式控制器中整合可配置模擬架構(gòu)的多個實例，從而實現(xiàn)同步采樣。  

跨阻放大器 (TIA) 
TIA 放大器將來自電流源（通常是光電二極管）的輸入電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器進一步處理。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的簡單方法是使用接地電阻。然而，使用這種方法可實現(xiàn)的增益受到電流源輸入阻抗、負(fù)載阻抗和所需帶寬的限制。使用運算放大器的閉環(huán)方法通常是消除這些問題的方法?；谑褂猛獠繜o源元件的可配置模擬架構(gòu)的典型電路如圖 2 所示。

圖 2. 跨阻放大器（）

在這個電路中，發(fā)生器是一個光電二極管，其作用是將光子轉(zhuǎn)換成電流。該電流然后由反饋電阻器 R 2放大。將可用的 SPICE 模型用于運算放大器，獲得 TIA 的頻率響應(yīng)和增益，如圖 3 和 4 所示。TIA 電路是使用商用光電二極管和可配置模擬架構(gòu)構(gòu)建的。運算放大器的輸出電壓是通過可用的 12 位 ADC 檢測的。圖 5 中顯示的結(jié)果對應(yīng)于 ADC 的感測值。通過增加照射在光電二極管上的光量來增加光電二極管電流。測量結(jié)果與 SPICE 仿真結(jié)果非常吻合。

圖 3. 跨阻放大器 SPICE 仿真頻率響應(yīng)。（）

圖 4. 跨阻放大器 SPICE 增益響應(yīng)（）

圖 5. TIA 電路的測量輸出響應(yīng)（）

工業(yè)有線通信用壓控電流源 
電流環(huán)路通信解決方案繼續(xù)為工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)傳感器背板提供可靠的接口。通信鏈路的物理層通常由壓控電流源組成。輸出響應(yīng)的線性度與集成在電流環(huán)路中的傳感器的感測值有關(guān)。例如，在 4-20mA 電流環(huán)路中，4 mA 傳輸值代表傳感器的輸出值，而 20 mA 代表傳感器的輸出值。因此，集成傳感器的輸出值調(diào)節(jié)電流回路中的電流。電壓控制電流源可以使用可配置的模擬架構(gòu)構(gòu)建，如圖 6 所示。在這種情況下，可配置的模擬架構(gòu)既支持來自傳感器接口的信號鏈，也支持支持到終端節(jié)點本身的通信鏈路的物理層。外部調(diào)制晶體管使集成解決方案無需支持 4-20 mA 有線通信環(huán)路典型的更高電壓要求 (+12 V/+24 V)。

圖 6. 支持傳感器和 PHY 層通信信號鏈的可配置模擬架構(gòu)（）

圖 7. 電阻溫度檢測器 (RTD) 信號調(diào)節(jié)電路（）

圖 8. 壓控電流源（）

使用可配置模擬構(gòu)建的實際電路如圖 7 和圖 8 所示。測試結(jié)果以及 SPICE 仿真如圖 9 所示。在這種情況下，CPU 在兩個不同的頻率下運行。我們看到較高的頻率導(dǎo)致較低 DAC 電壓下的非線性。這可以通過 CPU 對數(shù)據(jù)進行額外處理來輕松處理。

圖 9. 物理鏈路層性能（）

結(jié)論 
可配置模擬架構(gòu)支持物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 應(yīng)用中傳感器背板的雙模態(tài)要求。這種可配置的模擬架構(gòu)可以在許多 MSP430? 微控制器嵌入式解決方案中找到，包括近發(fā)布的具有業(yè)界泄漏集成 TIA 的MSP430FR2311 微控制器。在單個嵌入式設(shè)備中支持多個信號鏈解決方案以支持通信鏈路的傳感器輸入和 PHY 層的能力提供了具有成本效益的小型系統(tǒng)解決方案。