技术文章—ADI新一代电化学气体检测方案

随着电化学传感器技术的发展，万物互联时代的到来，市场对于相关检测产品小型化、数字智能化的需求也愈发显著。作为单芯片解决方案，信号链集成内置诊断功能将使传感器被更广泛地使用，同时提高准确性，延长传感器寿命，降低维护成本。

技术型分销商Excelpoint世健公司的工程师Ethan Li推荐了ADI一款集成化学传感器接口的精密模拟微控制器ADuCM355。他详细阐述了ADuCM355气体检测方案与传统方案相比的优势，以及设计中的注意点和相关开发资源。

ADuCM355 SOC片上系统的架构与特性

图1 ADUCM355片内架构图

图2 ADuCM355 AFE DIE≈AD5940/1

如图1所示ADuCM355的结构架构图，实际是=两个DIE封装的技术架构，DIE1≈模拟前端AD5940/1，DIE2=MCU=ADUCM3029。

如图2，ADucM355 AFE的功能框图架构与AD594X一样。但ADuCM355模拟资源较AD594X会多一些。

 ADuCM355 AFE模拟前端

 OW BANDWIDTH OOP 低带宽回路

Ø  两个双通道输出电压DAC

Ø  两个低功耗、低噪声放大器（AD594X=1个）

Ø  两个低功耗、低噪声TIA（AD594X=1个）

Ø  可编程负载和增益电阻

HIGH BANDWIDTH OOP 高带宽回路

Ø  1个高速12位电压DAC

Ø  1个用于阻抗测量的高速TIA

Ø  输出上的可编程增益放大器

Ø  阻抗测量范围：<1 Ω至10 MΩ， 0.016 Hz至200,000 Hz

 模拟输入/输出

Ø  16 位、400 kSPS ADC 电压

Ø  内部和外部电流和电压通道

Ø  超低泄漏开关矩阵和输入多路复用器

Ø  输入缓冲器，PGA

2.5 V 和 1.82 V 片内精密基准电压源

 模拟硬件加速器

Ø  数字波形发生器

Ø  DFT 和数字滤波器

  内部温度传感器，±2°C精度

 微处理器

  26 MHz Arm Cortex-M3处理器

  串行线端口支持代码下载和调试

  128 kB闪存/64 kB SRAM

  UART、I2C和SPI串行输入/输出

  最多17个GPIO引脚

  通用、唤醒和看门狗定时器

ADuCM355气体检测SOC方案优势

1.   高集成度-降低信号链设计复杂性

图3 典型传统的电化学气体检测信号链

图4 ADuCM355电化学气体检测信号链

通过对ADuCM355内部架构的了解。以及图3&4、传统电化学气体检测方案与ADuCM355方案的对比，ADuCM355方案优势：高度集成化、数字化。Ethan Li介绍，世健公司前期与山东某知名便携式环保企业工程师推广交流，高集成度是他们导入ADuCM355方案评估的最重要因素。

2.   超低功耗

图5 低带宽回路保持EC参考极的偏置电压

如常见的三电极电化学传感器，根据电化学传感器工作原理，12位VDAC输出通过图5所示的恒电势器电路设置参考电极引脚上的电压。CE引脚和RE引脚上的电压称为VBIAS。6位输出设置PTIA_P节点上的偏置电压；此输出设置感应电极引脚SE上的电压。该电压称为VZERO。传感器上的VBIAS偏置电压实际上是12位输出和6位输出之间的差值。低功耗模式下，在连接低带宽回路传感器非测量状态BIAS模式下，这个系统电路可以做到8uA的超低功耗。传感器工作测量时4.9mA。

3.   高测量精度

图6 ADC ENOB，基于RMS噪声

电化学传感器连接ADuCM355低带宽回路，输出非常小的电流经低功耗（PTIA TIA支持200Ω至512kΩ的可编程增益电阻）转换为可由ADC测量的电压信号。16BIT高分辨率 SAR ADC，内部高精度20ppm 1.82Vref作为ADC基准源，加以可编程的数字滤波器，可做到如图6高达15BIT有效位数的采集精度。

4.   可诊断可预测型-电化学阻抗谱分析

图7 High Bandwidth oop 高带宽回路比例法测量EC阻抗

随着电化学应用的发展，执行诊断测量具有重要价值。电化学阻抗谱分析如图7 ADuCM355高带宽回路HPDAC输出频率可高达200Khz交流信号激励传感器，配合复数阻抗测量(DFT)引擎，可帮助客户有效的诊断传感器的健康状态。

对于某些类型的传感器，在阻抗测量期间必须保持传感器上的直流偏置。交流信号的电平通过低功耗DAC 的VBIAS电压输出设置，SE上的电压由VZERO电压维持。还必须通过设置AFECON位21来使能高速DAC直流缓冲器。

ADuCM355设计开发环境

图8 硬件连接、可支持电化学传感器

IAR 软件开发调试环境，ADI可提供ADuCM355全套参考代码。如图10所示 355_ECSns_2E code，可直接烧录评估，配合硬件参考手册，根据实际需求，个性化开发。

图10 ADI ADuCM355参考代码资源

Ethan Li还表示，ADI可提供丰富的参考设计代码，缩短开发周期。ADuCM355方案在新一代电化学气体检测应用的产品中拥有强大的优势、潜力，在世健公司的支持下，山东区域几家环保企业已陆续导入评估ADuCM355、AD5941气体检测方案，已有成功应用案例，等待产品量产上市。