作者：德州儀器公司 Zach Albus
采用智能化更高的傳感器接口能將16位的高性能CPU與16位ADC的處理功能相結合，從而大幅簡化設計工作，尤其是在集成解決方案體積較小、價格較低的時候更是如此。本文將重點介紹上述數據采集系統架構的各種優勢，其中包括更低功耗、更小體積、更少的主機CPU負載、功能齊備以及傳輸中可配置性等。
為什么要尋找“更智能化”的解決方案
對負責系統后端的模擬設計人員而言，通常只能對ADC進行優化。不過，這時數字接口基本已經不能變更了。當然，非常多的主機處理器都具備極高的性能且集成了靈活的ADC功能，而許多MCU都能理想地滿足各種應用需求。不過需要再次強調的是，MCU的選用是由多種要求決定的，而模擬功能只是其中的一部分。
除了花費大量時間開發昂貴的ASIC、承擔高風險之外，還有沒有別的辦法呢？辦法當然是有的。若不將模擬功能與主機處理器相集成，那么將數字智能集成至ADC中又未嘗不可呢？這就能實現“更智能化”的設備，既能充分滿足傳感器前端的模擬性能要求，又具備與系統主機處理器接口相連的足夠靈活性。圖1闡述了這一理念及上述各種方法。
圖1 智能ADC數據采集系統的發展
小智慧有大作用
毫無疑問，這不是一種新的概念，不過卻經常被忽視。只要可能，我們就應采用智能 ADC 數據采集系統，其對系統的影響大大超過此前介紹的范疇。一般說來，設計人員考慮的問題包括智能處理器解決方案的大小或占板面積，當然價位也是非常重要的因素。價格通常是大多數高銷量應用的限制因素，這使設計人員不得不采取效率較低的、會影響集成度的獨立解決方案。
智能ADC系統架構的優勢在于，數字和模擬設計都具備極大的靈活性，這同時也為軟件開發提供了極高的靈活性。智能ADC解決方案的集成CPU和數字外設實現了更簡單的A／D 控制和數據處理功能。ADC 不僅具有全面可編程性，而且無須與主機CPU 互動就能實現傳輸中控制。此外，智能ADC作為模擬信號的預處理器，不僅能捕獲已轉換的數字數據，還能在向系統主機傳遞數據之前對數據進行處理。這使求數據平均值乃至更復雜的數據過濾等功能都得以簡化。
為了說明上述功能減輕主機負荷，我們不妨考慮外部16位ADC采用3線SPI接口通信的簡單例子。主機不僅要配置ADC，等待轉換完成，還要檢索每個16 位結果，并處理得出平均值。即便在ADC與主機處理器集成的情況下，能優化的也只是數據通信。主機仍要處理數據、計算平均值，并提供所有 ADC 控制和配置功能。
我們不妨將這種簡單而低效的系統與智能 ADC 系統相比較，智能系統具備相同的主機功能，但主機只需從“智能” ADC中檢索數據。所有ADC控制功能和預處理的數據以及平均值計算都由智能ADC完成，從而解放了主機，使其能從事更高級的功能。
智能化程度更高的MCU是解決之道
超低功耗MSP430F2013 MCU就是此類智能型ADC的一個優秀典范。所有的ADC控制和數據處理均無需主機完成，不僅提高了靈活性，而且還加強了整個系統的效率。這乍看起來似乎對降低成本、提高存儲器容量以及CPU吞吐量等方面沒什么大用，但是我們需考慮到，有的任務每秒必須要處理數十次、上百次，乃至上千次。因此，智能ADC所能實現的優勢是極為明顯的。
智能程度更高的ADC所帶來的優勢和功能遠遠超出了A/D 轉換及數據處理的范疇。在更高的層面上MSP430F2013的2KB片上存儲器可存儲校準數據，以及針對溫度變化的傳感器補差表，補償傳感器采樣信息的不足。此外，128B RAM還能存儲數據日志和多采樣緩沖。系統主機可用剩余的存儲器存儲其他各種數據。
MSP430超低功耗架構的關鍵優勢之一也進一步擴展到了系統模擬領域，能實現非常靈活且易于管理的電源架構，從而充分滿足電流需要。由于處理器的喚醒時間不到1μs，因此該解決方案有助于我們大幅降低平均系統功耗要求。圖2顯示了有關系統如何利用主機和智能ADC的概念。
圖2 智能ADC的系統架構
結論性的設想
如果您下次設計混合信號應用時要采用外接ADC，那么不妨考慮一下各種選擇。采用簡單的外部模數轉換器可能并不是最好的解決方案，特別是當采用智能ADC較為合適時更是如此。
“智能傳感器接口”能夠將16位CPU與16位ADC的處理能力完美結合在一起，從而大幅簡化設計工作，尤其是在解決方案體積較小時優勢更為顯著；而且其成本基本相當于專用模數轉換器解決方案，有時甚至還會更低。這種數據采集系統架構的優勢還能擴展到其他設計領域，如降低功耗、提高系統可升級性以及實現最終設備的差異化創新等。
