通过应用自我询问和诊断确保传感器数据完整性

传感器和物联网(IoT)技术正在迅速扩展到工业,商业甚至消费者环境。随着这种扩展,越来越需要确保来自相关传感器及其前端接口电路的数据的完整性。
当单个接口IC支持多个传感器时,数据完整性的潜在问题变得更加严重,因为单个IC的问题可能破坏一组读数。反过来,这可能导致对感测情况的不正确评估,可能导致不适当甚至危险的系统操作。
本文将介绍传感器到处理器信号链中硬和软(瞬态)故障以及传感器读数不准确性的各种来源。然后,它将介绍ADI公司的高度集成的IC ,并展示如何通过传感器本身及其数字I / O的诊断来克服这些问题。

传感器到处理器的信号路径

最终影响任何传感器读数完整性的因素始于图1所示的信号链的三个主要功能块。这些块是:
  1. 传感器及其引线
  2. 信号调理IC中的模拟前端,以模数转换器(ADC)为中心
  3. 系统处理器的数字I / O.
传感器到处理器的基本信号路径图
图1:基本的传感器到处理器信号路径原则上只包含几个基本功能,但实用且有用的接口IC提供了许多附加功能和特性。(图片来源:Digi-Key Electronics)
在多通道系统中,传感器通常是各种类型的混合,例如热电偶,电阻温度检测器(RTD)和压力传感器。当然,传感器可能会发生故障,或者其互连引线可能会打开,或者与相邻的引线,电源轨或接地短路。
根据传感器类型的不同,由于读数将“偏离规模”,因此其引线故障可能会立即显现。相反,某些故障模式会导致信号不准确但看起来合法。此外,某些传感器(如RTD)需要外部激励电流,并且此电流必须在有效读数的设定范围内。由于这些原因,最好测试传感器和模拟前端之间信号路径的连续性,并检查信号是否保持在允许的最小和最大限制之间,最好使用独立于可能的模拟电路。 ADC问题。
这不仅可以提供准确的读数,还可以提供系统决策算法可以在源数据中以极高的置信度运行的读数。
但是,所有这些额外的检查和平衡增加了额外的组件,更大的占地面积和额外的设计时间。

自询问IC可确保传感器数据的完整性

为了满足对高完整性数据的需求,同时对设计时间和占用空间的影响最小,ADI公司推出了AD7124-8BCPZ-RL7,这是一种专注于传感器的ADC和接口,远远超出了基本的信号调理和转换。它包括多个信号和自诊断功能,以确保数据完整性。
ADI公司AD7124传感器聚焦ADC和接口示意图
图2:AD7124传感器聚焦ADC和接口远远超出基本信号调理和转换,包括多个信号和自诊断功能,以确保数据完整性。(图片来源:ADI公司)
AD7124是一款四通道,低噪声,低功耗,24位,sigma-delta(Σ-Δ)器件。它的采样率从1个样本/秒以上,适用于许多传感器类及其应用,达到19,200个样本/秒。在最低采样率下,它吸收255微安(μA)。该设备的读数精度通过强调低噪声,低于25纳伏(nV)rms以及内部参考电压(10 ppm /°C)的低漂移而得到增强。
AD7124本身采用32引脚LFCSP和24引脚TSSOP封装。其灵活的数字I / O支持3线和4线SPI,QSPI,MICROWIRE TM和DSP兼容接口。
AD7124采用两种技术解决了前面提到的传感器引线问题:信号限制报警和烧坏电流检测。信号限制报警使用过压/欠压报警监视器检查四对模拟输入连接中的每一对的绝对电压(图3)。该电压必须在规定的窗口内,以满足数据表规范。
传感器的基本验证图
图3:使用信号限制报警对传感器引线进行基本验证时,使用具有固定最小/最大设置的基于硬件的比较器。(图片来源:ADI公司)
烧坏电流检测使用一对互补的可编程电流吸收器和源。通过 将预定义的一对电流输入和吸入传感器引线,AD7124可以验证其完整性(图4)。完全打开或关闭的电流将切换到所选的模拟输入线对。
采购和下沉预定义电流对的图表
图4:通过将预定义的一对电流输入和吸入传感器引线,AD7124可以验证其完整性。(图片来源:ADI公司)
满量程读数(或接近读数)可能意味着前端传感器是开路的。如果测量的电压为0伏,则可能表明换能器已短路。在错误寄存器中设置相应的标志位以指示错误的发生和类型。
最后,对于用户提供外部参考而非使用内部参考(通常使用RTD或应变计)的应用,AD7124会检查任何外部转换参考电压是否正确。

验证前端和ADC

虽然外部传感器及其引线是最可能的难点,但验证前端/转换IC本身的性能至关重要。可能超出规范或完全失灵的功能包括:
  • 内部ADC电压参考
  • 可编程增益放大器(PGA)放大输入信号以匹配ADC范围,以获得最高分辨率
  • 低压差稳压器(LDO),提供所需的传感器激励
  • IC的内部电源轨
  • ADC本身
为了测试信号链的模拟部分,AD7124调用基于硬件和固件的自检。它产生一个20毫伏(mV)信号,可以内部连接到其四个差分输入通道中的任意一个,然后进行数字化。这样做有多个目的:它验证输入通道多路复用器和ADC的基本操作; 它还可以通过更改PGA的增益设置和检查合成的ADC读数来评估PGA。
ADC也是可能出现问题的根源。AD7124采用成熟的Σ-Δ转换器架构及其1位调制器和必需的数字滤波器。ADC性能的全面测试采用模拟和数字技术。
在AD7124中,如果调制器输出包含20个连续的1或0,则表示调制器已经饱和到一个轨或另一个轨,并且设置了错误标志位。类似地,IC在其自发起偏移校准之后检查ADC偏移系数在0x7FFFF和0xF80000之间。如果超出此范围,则设置另一个错误标志位。最后,在满量程校准期间,数字滤波器的任何溢出都会设置另一个错误标志位。
内部和外部电源和轨道也是潜在的问题来源。许多传感器需要少量激励功率,而这通常由模拟前端IC内的小型低噪声LDO提供。
AD7124以两种方式检查其LDO输出。首先,LDO的输出可以在内部路由到ADC,并与其预期值进行比较。其次,独立于ADC的硬件比较器持续监控LDO与IC的参考电压。如果低于预设阈值,则设置错误标志位。结果,可以在初始化期间评估LDO,并且这也可以在连续的基础上进行,而不会不断地消耗处理器资源。
为了进一步确信,可以通过将其输入连接到地(标称0伏),然后检查数字读数来检查(在某种程度上)用于监视电源的测试电路。AD7124通过检查所需的0.1微法(μF)去耦电容是否存在并连接,进一步确保了数据完整性。它通过指示AD7124通过其内部开关物理断开去耦电容,然后检查LDO输出来实现这一点。如果LDO电压下降,则去耦电容器不存在。同样,这会设置错误标志位。
当然,每个IC的最高温度额定值都超出规格,甚至完全失败。因此,AD7124内置一个传感器,可随时提供芯片温度读数,典型精度为±0.5°C。

数字错误怎么样?

到目前为止,我们已着眼于确保模拟传感器或转换功能的性能和准确性。然而,在部署了许多这些传感器的电气恶劣的工业环境中,存在噪声,EMI / RFI和影响数字电子设备的瞬变的问题。因此,重要的是确保内部数字电路的性能,以及与系统处理器的接口链接,以确保数据的稳健性以及任何读/写操作。
AD7124通过多管齐下的方法实现了这一目标,从以下操作和功能开始:
  • 检查主时钟的性能。需要主时钟来设置输出数据速率,滤波器建立时间和滤波器陷波频率。它由独立的向上计数寄存器检查,可以随时回读。
  • 通过特殊时钟计数器检查每个SPI读或写操作中使用的SCLK脉冲数。该数字应为8的倍数(所有SPI操作均使用8,16,32,40或48个时钟脉冲)。
  • AD7124检查读写操作是否仅用于寻址有效的寄存器地址。
这些步骤解决了内部操作,但不能确保处理器接口及其数据的完整性。为了提供极高的数据置信度,用户可以指示AD7124实现循环冗余校验(CRC)多项式校验和算法。校验和确保只将有效数据写入寄存器,并允许从寄存器读取数据(图5)。请注意,校验和是用于检测偶数单比特错误的高可信度技术,但它无法纠正它们。
基于多项式的CRC校验和图添加到SPI写和SPI读事务中(点击放大)
图5:基于多项式的CRC校验和被添加到(左)SPI写和(右)SPI读事务中,用于检测单比特错误。(图片来源:ADI公司)
启用后,此操作将计算数据块的校验和,并将其附加到每个读写事务的末尾。为了确保寄存器写入成功,需要回读寄存器以验证存储的校验和与从数据计算的校验和。
在电气苛刻的环境中,即使存储器也可能遭受误码。为了对片内寄存器中的这些错误进行高级检查,AD7124每次都计算一系列操作的校验和:
  • 有一个寄存器写周期
  • 有偏移/满量程校准
  • 器件执行单个转换周期,ADC在转换完成后进入待机模式
  • 它退出连续读取模式
增强稳健性。还评估内部只读存储器(ROM)。上电时,所有寄存器都初始化为默认值,存储在ROM中。在加电时对ROM内容执行CRC计算。如果它与存储的CRC结果不同,则表示存在至少一位错误。
AD7124还可为多种类型的传感器提供激励,以及通过放大器和PGA对信号进行信号调节和传感器输出信号缩放。为了提供它提供的极端稳健性,它有许多内部寄存器用于初始化,建立所需的功能模式和参数,以及标记各种错误和故障。

使用AD7124评估板来启动AD7124设计

AD7124是一个复杂的系统,具有许多设计可能性和性能。它不是一个简单的“drop in and go”传感器接口IC。为了便于学习并使设计人员能够快速熟悉其潜在功能,ADI公司还提供了EVAL-CN0376-SDPZ评估板(图6)。
Analog Devices EVAL-CN0376-SDPZ评估板的图片
图6:EVAL-CN0376-SDPZ评估板可加速设计,并可充分发挥AD7124的众多功能和特性。(图片来源:ADI公司)
评估板包含连接AD7124与各种真实传感器以及处理器所需的电源和外部组件。它由基于Windows PC的CN-0376评估软件提供支持,该软件通过USB端口进行通信,以配置和捕获评估板上的数据。

结论

许多关键决策都是由嵌入在系统处理器中的高级算法做出的,现在在许多情况下通过人工智能(AI)得到增强。比以往任何时候都更重要的是,这些算法运行的原始数据,得出结论并采取行动,具有高度的完整性。AD7124等IC在数据中增加了多层所需的信心,确保信号链中的每个链路(从引线和传感器接口到其自身的性能和功能)都按预期运行且未受损坏。

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