【導讀】隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應用變得越來(lái)越復雜，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 端點(diǎn)的設計人員需要在邊緣提供更復雜的計算。在邊緣對端點(diǎn)傳感器數據進(jìn)行計算，這是減少 IIoT 中心網(wǎng)絡(luò )瓶頸的實(shí)用方法。如此一來(lái)，在減少網(wǎng)絡(luò )流量的同時(shí)，也降低了主中心處理器的計算負載。但是，該方法也有缺點(diǎn)。
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應用變得越來(lái)越復雜，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 端點(diǎn)的設計人員需要在邊緣提供更復雜的計算。在邊緣對端點(diǎn)傳感器數據進(jìn)行計算，這是減少 IIoT 中心網(wǎng)絡(luò )瓶頸的實(shí)用方法。如此一來(lái)，在減少網(wǎng)絡(luò )流量的同時(shí)，也降低了主中心處理器的計算負載。但是，該方法也有缺點(diǎn)。
例如，一種常見(jiàn)的 IIoT 邊緣應用是處理周期性的模數轉換器 (ADC) 傳感器數據。對于高精度的模擬數據，數百個(gè) ADC 數據點(diǎn)的數學(xué)處理、解讀和插值會(huì )大幅加重邊緣主機處理器的負載，從而可能影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的性能。此外，高精度 ADC 可能需要在物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的主機微控制器固件中執行自校準，這可能會(huì )使所有邊緣處理延遲至校準完成。
本文將向開(kāi)發(fā)人員展示如何將來(lái)自 Analog Devices 的精密模擬微控制器用作智能 ADC 外設。文中將說(shuō)明這些模擬微控制器的特性如何使其適合用作單芯片數據采集系統，這些系統既能輕松連接至 IIoT 端點(diǎn)微控制器，又可執行 ADC 數據點(diǎn)處理和自校準等邊緣處理功能，而不會(huì )影響主端點(diǎn)微控制器的性能。
為什么要在邊緣處理模擬傳感器數據？
隨著(zhù) IIoT 系統變得越來(lái)越復雜，所需處理的數據也越來(lái)越復雜。對于工業(yè)控制應用，閥門(mén)和某些電機正在從開(kāi)環(huán)系統轉換為閉環(huán)系統，在這種系統中精密模擬傳感器必須能檢測到微小的閥門(mén)或電機位置。對于過(guò)程控制應用，更大的處理量使得生產(chǎn)線(xiàn)速度加快，對系統中的溫度、壓力和執行器的控制更加精細。
在過(guò)程控制中，生產(chǎn)線(xiàn)（過(guò)程）的速度主要取決于兩個(gè)因素：地面上機器和系統的機械能力，以及控制機器和系統中傳感器和執行器的 IIoT 網(wǎng)絡(luò )效率。在某些情況下，微小的過(guò)程改進(jìn)能夠讓產(chǎn)量增加，但這些改進(jìn)可能會(huì )因 IIoT 網(wǎng)絡(luò )瓶頸而受阻。通過(guò)在邊緣執行更多處理，可以減少這些瓶頸。
在 IIoT 端點(diǎn)處執行邊緣處理，對于處理模擬信號特別有利。在 IIoT 發(fā)展的早期階段，處理模擬數據可能會(huì )很簡(jiǎn)單，但可擴展性是一個(gè)問(wèn)題：后期的改進(jìn)會(huì )導致計算的復雜性增加。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送所有原始模擬數據會(huì )增加網(wǎng)絡(luò )流量，而在網(wǎng)絡(luò )中心處理器上處理所有這些數據，也會(huì )占用寶貴的計算時(shí)間。因此，在邊緣處理模擬數據是一種提高網(wǎng)絡(luò )效率的切實(shí)可行的方法。
使用智能 ADC 在邊緣處理模擬數據
在邊緣處理成百上千個(gè) ADC 數據樣本，這很容易使 IIoT 端點(diǎn)的主微控制器不堪重負。對于復雜的模擬傳感器，明智的設計決策是使用自帶處理能力的外部 ADC。這不僅可大大減輕 IIoT 端點(diǎn)微控制器的負擔，而且使 ADC 的自校準更加容易。
為了實(shí)現高性能的 ADC 數據捕獲和處理，Analog Devices 提供了一系列精密的模擬微控制器。ADuCM360BCPZ128-R7 精密模擬微控制器使用 Arm® Cortex®-M3 控制兩個(gè) 24 位三角積分 ADC（圖 1）。ADC 能夠每秒捕獲 4 千個(gè)模擬傳感器數據樣本 (kSPS)。此外，ADuCM360 還帶有一個(gè) 12 位數模轉換器 (DAC)，用于產(chǎn)生精確的電壓以進(jìn)行自我校準。該微控制器的工作電壓范圍為 1.8 至 3.6 V，并包含一個(gè)內部 32 kHz 振蕩器和一個(gè)內部 16 MHz 振蕩器，從而減少了空間受限系統中的元器件數量。
ADuCM360 配有 128 KB 的閃存和 8 KB 的 SRAM。ADuCM360 的一大優(yōu)勢是可以直接寫(xiě)入閃存位置，類(lèi)似于寫(xiě)入 SRAM。這使固件開(kāi)發(fā)人員可以輕松地將閃存存儲塊劃分為程序存儲器和 EEPROM。在數據采集系統中，這允許將 EEPROM 分區存儲塊用于存儲 ADC 校準數據。
閃存支持直接 32 位擦除和寫(xiě)入（不支持 16 位和 8 位擦除和寫(xiě)入）。閃存寫(xiě)入和擦除操作需要消耗大量的電流，因此在電池供電的應用中，一次寫(xiě)入 32 位的能力可以節省大量電力。與每次只能寫(xiě)入和擦除一個(gè)存儲塊或一頁(yè)的閃存微控制器相比，這具有顯著(zhù)的低功耗優(yōu)勢。
該閃存還支持常規的閃存擦除命令，例如頁(yè)面擦除和整個(gè)閃存陣列的大規模擦除。憑借這些功能，開(kāi)發(fā)人員可以輕松編寫(xiě)子例程，根據從 IIoT 端點(diǎn)主機微控制器通過(guò)串口發(fā)送的命令更新固件。這一點(diǎn)很重要：如果 ADuCM360 無(wú)法通過(guò)串口輕松更新固件，則會(huì )嚴重限制其在數據采集系統中的靈活性，因為能夠更新控制 ADC 的固件，這與 ADC 本身同樣重要。
高效的單芯片數據采集系統
兩個(gè) 24 位 ADC 均連接到一個(gè)輸入多路復用器，共支持 11 個(gè)單通道或 6 個(gè)差分輸入。四個(gè)內部通道可以監測內部溫度傳感器以及 12 位 DAC 的輸出，還有一個(gè)內部低漂移帶隙基準。這些可用于執行 ADC 的自校準。DAC 可以經(jīng)過(guò)編程，以輸出每個(gè) ADC 都可以讀取的一系列電壓。ADC 還可以對內部帶隙基準電壓進(jìn)行采樣。固件可以處理這些讀數，以便可以在溫度范圍內校準 ADC，并將校準常數存儲在 EEPROM 中。
當用作單芯片數據采集系統時(shí)，ADC 可以經(jīng)過(guò)編程，以高達 4 kSPS 的采樣率采集連續的模擬數據樣本。一個(gè) 11 通道直接存儲器訪(fǎng)問(wèn) (DMA) 控制器可以將這些數據傳輸至 SRAM。然后，固件可以應用 EEPROM 中存儲的校準常數來(lái)修改數據，并在必要時(shí)根據溫度進(jìn)行校正。接下來(lái)，固件可以根據應用的要求處理數據，同時(shí) DMA 將其他 ADC 數據傳輸至 SRAM。
對存儲的 ADC 數據處理完成后，結果可以發(fā)送到串行接口以待傳輸到 IIoT 端點(diǎn)微控制器，或者如果需要傳輸多個(gè)數據樣本，DMA 可以將數據批量傳輸到串行接口。采用這種方式，一個(gè)高效的數據采集系統可以同時(shí)對一組 ADC 數據進(jìn)行采樣并以 DMA 傳輸至 SRAM、處理第二組 ADC 數據，并將第三組 ADC 數據以 DMA 傳輸至串行接口。
模擬輸入信號可通過(guò)可編程增益放大器 (PGA) 進(jìn)行放大，并且可以將其設置為 2 的冪，支持的增益值包括 2、4、8、16、32、64 和 128。這樣就可以放大很小的電壓，以實(shí)現更精確的 ADC 采樣。
雖然其他功能還包括一個(gè) 16 位六通道脈沖寬度調制 (PWM)、19 個(gè)通用 I/O (GPIO)、兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器、一個(gè) 32 位喚醒/看門(mén)狗定時(shí)器，以及一個(gè)外部中斷系統，但讓?xiě)霉碳３謱?zhuān)注于支持其 ADC 捕獲和數據處理的主要用途非常重要。若要求 ADuCM360 執行與其模擬數據捕獲主要用途無(wú)關(guān)的附加功能，很容易導致功能蔓延，從而干擾該用途，同時(shí)還會(huì )使固件更新復雜化。
超低功耗特性
盡管 ADuCM360 具有高端模擬功能，但在高性能條件下，它仍然能夠實(shí)現低功耗。在正常工作模式下，Cortex-M3 內核僅消耗 290 微安 (µA)/MHz。在系統時(shí)鐘為 0.5 MHz、兩個(gè) ADC 都在取樣、所有定時(shí)器都在運行、PGA 增益為 4 的情況下，當從 SPI 接口訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，微控制器僅消耗 1 毫安 (mA) 的電流。這是在輸入緩沖器關(guān)閉的情況下，因為緩沖器電壓存儲會(huì )增加功耗。當處于僅喚醒定時(shí)器運行的休眠模式時(shí)，微控制器僅消耗 4 µA 的電流。這使得 ADuCM361 適用于電池供電的 IIoT 端點(diǎn)。
對于不需要兩個(gè) ADC 速度的不太復雜的應用，Analog Devices 提供了 ADUCM361BCPZ128-R7。除了只有一個(gè)三角積分 24 位 ADC 外，它與 ADuCM360 相同（圖 2）。
在一些應用中，如不需要兩個(gè) 24 位 ADC 同時(shí)運行來(lái)提供高性能，則使用 ADuCM361 可以降低系統成本和電路板功耗。單個(gè) ADC 也連接到一個(gè)多路復用器，總共支持 11 個(gè)單通道或 6 個(gè)差分輸入。此外，該器件也可使用 12 位 DAC、內部帶隙基準和溫度傳感器進(jìn)行自校準。
ADuCM361 與 ADuCM360 引腳兼容。這樣一來(lái)，一種印刷電路板布局就可用于這兩款產(chǎn)品。這簡(jiǎn)化了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和物料清單 (BOM)，因為 IIoT 端點(diǎn)制造商可以使用一款印刷電路板來(lái)生產(chǎn)兩款或更多產(chǎn)品。
數據采集系統開(kāi)發(fā)
對于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，Analog Devices 提供了 EVAL-ADuCM360QSPZ 評估套件（圖 3）。該評估板可連接到模擬傳感器或外部電壓源，用以開(kāi)發(fā) ADuCM360 和 ADuCM361 模擬微控制器的固件。
該評估套件可由運行 Windows 的主機通過(guò) USB 端口訪(fǎng)問(wèn)。這樣就可以使用目標固件對板載 ADuCM360 進(jìn)行編程，以進(jìn)行測試和調試。EVAL-ADuCM360QSPZ 的印刷電路板上具有 ADuCM360 的所有引腳，包括串行 I/O，因此該評估板可以通過(guò) I2C、SPI 或 UART 連接至主機微控制器以進(jìn)行實(shí)時(shí)調試。Windows 主機可以記錄 ADC 數據，還可以調試自校準程序的準確性。
總結
在過(guò)程控制等高端模擬應用中，所采用的許多 IIoT 端點(diǎn)需要對使用 ADC 捕獲的模擬傳感器數據進(jìn)行更多的邊緣處理。ADC 數據量和邊緣處理的復雜性會(huì )使 IIoT 端點(diǎn)主微控制器不堪重負。主端點(diǎn)微控制器可改為使用串口連接至一個(gè)模擬微控制器，并且該模擬微控制器是一個(gè)自足式數據采集系統。這樣可以提高端點(diǎn)的性能并減少網(wǎng)絡(luò )流量，從而讓 IIoT 網(wǎng)絡(luò )更為高效。
（轉載自電子發(fā)燒友網(wǎng)，來(lái)源：Digi-Key，作者：Bill Giovino）
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