应用自询问和诊断功能,确保传感器数据的完整性

传感器物联网 (IoT) 技术正迅速扩展到工业、商业,甚至是消费领域中。随着这种技术扩展,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保持完整性。
当单个接口 IC 支持多个传感器时,数据完整性的潜在问题会变得更加严重,因为单个 IC 的问题可能会损坏一组读数。这可能会进而导致对感测情况评估不正确,造成不合适甚至危险的系统操作。
本文将介绍传感器到处理器的信号链中,软硬(瞬态)故障以及传感器读数不准确的各种根源。然后,本文将介绍来自 Analog Devices 的高度集成 IC,并展示该 IC 如何通过对传感器、其本身及数字 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都始于图 1 中所示信号链的三个主要功能块。这些功能块是:
  1. 传感器及其引线
  2. 信号调节 IC 中的模拟前端,以模数转换器 (ADC) 为中心
  3. 连接到系统处理器的数字 I/O
传感器到处理器的基本信号路径图
图 1:传感器到处理器的基本信号路径在原则上只包含一些基本功能,但实用的接口 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,通常混合了各种类型的传感器,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形成开路,或者与相邻的引线、电源轨或接地形成短路。
根据传感器的类型,其引线的故障可能会立即表现为读数“偏离标度”。相反,某些故障模式会导致不准确但看起来合理的信号。此外,某些传感器(如 RTD)需要外部激励电流,而此电流必须在设定范围内才能提供有效读数。鉴于这些原因,可取的做法是:测试传感器与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值之间,但最好使用不受 ADC 潜在问题影响的模拟电路。
这不仅提供准确的读数,而且还能使系统决策算法在运行时根据这些读数,采用可信度极高的源数据。
但是,所有这些额外的检查和平衡会增加额外的元器件,需要更大的占用空间和额外的设计时间。

自询问式 IC 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,Analog Devices 推出了 AD7124-8BCPZ-RL7,这是一种以传感器为中心的 ADC 和接口,其功能远远超出了基本的信号调节和转换。该产品包括多种信号和自诊断功能,以确保数据完整性。
Analog Devices 的 AD7124 以传感器为中心的 ADC 和接口示意图
图 2:AD7124 是以传感器为中心的 ADC 和接口,其功能远超基本的信号调节和转换,包括多种信号和自诊断功能,用于确保数据的完整性。(图片来源:Analog Devices)
AD7124 是一款四通道、低噪声、低功耗、24 位、三角积分 (Σ-Δ) 型器件。采样率范围从略高于每秒 1 个样本(对多种传感器及其应用来说已经足够)到每秒 19,200 个样本。在最低采样率下,该器件耗电 255 微安 (μA)。由于其设计强调低噪声(低于 25 纳伏 (nV) rms),以及内部电压基准的低漂移 (10 ppm/°C),该器件的读数精度得到了提升。
AD7124 本身采用 32 引线 LFCSP 和 24 引线 TSSOP 封装。其灵活的数字 I/O 支持 3 线和 4 线 SPI、QSPI、MICROWIRETM 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:信号限制警报和烧毁电流测试。信号限制警报使用过压/欠压警报监视器,来检查四对模拟输入连接中每一对的绝对电压(图 3)。该电压必须在规定的范围内,以满足规格书中的规格。
传感器基本验证示意图
图 3:使用信号限制警报对传感器引线进行基本验证时,可采用基于硬件且设置了固定最小值/最大值的比较器。(图片来源:Analog Devices)
烧毁电流测试使用一对互补的可编程电流阱和电流源。通过在传感器引线中灌拉一对预定义的电流,AD7124 可以验证其完整性(图 4)。全开或全关的电流将转换为所选的待测模拟输入线对。
灌拉一对预定义电流的示意图
图 4:通过在传感器引线中灌拉一对预定义的电流,AD7124 可以验证其完整性。(图片来源:Analog Devices)
满量程读数(或接近值)可能意味着前端传感器处于开路状态。如果测得的电压为 0 伏,则可能表明传感器已短路。错误寄存器中会设置相应的标志位,以指示错误的发生和类型。
最后,对于用户提供外部基准而非使用内部基准(通常使用 RTD 或应变片完成)的应用,AD7124 会检查所有外部转换基准电压是否正确无误。

验证前端和 ADC

虽然外部传感器及其引线出现问题的可能性最大,但验证前端/转换 IC 本身的性能仍然至关重要。可能超出规格或完全失效的功能包括:
  • 内部 ADC 电压基准
  • 可编程增益放大器 (PGA),用于放大输入信号以匹配 ADC 量程,从而实现最高分辨率
  • 低压差稳压器 (LDO),用于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 会调用基于硬件和固件的自检。随后产生 20 毫伏 (mV) 信号,而该信号可在内部传送到四个差分输入通道中的任一个,然后进行数字化。这样做有多个目的:验证输入通道多路复用器和 ADC 的基本操作;还可以通过更改 PGA 的增益设置并检查得到的 ADC 读数,对 PGA 进行评估。
ADC 也是潜在问题的根源之一。AD7124 采用完善的 Σ-Δ 转换器架构,内含 1 位调制器和必需的数字滤波器。ADC 性能的全面测试同时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,则表示调制器的一个轨或另一个轨已饱和,并且会设置错误标志位。同样,IC 在自启动偏移校准之后,检查 ADC 偏移系数是否在 0x7FFFF 和 0xF80000 之间。如果系数超出此范围,则会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。
内外部电源和电源轨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至 ADC,并与预期值进行比较。其次,独立于 ADC 的硬件比较器会持续监测 LDO 相对于 IC 基准值的变化。如果低于预设阈值,则会设置错误标志位。因此,可以在初始化期间评估 LDO,也可以持续进行评估,而不会不断消耗处理器资源。
为了进一步确信,可以(在一定程度上)检查用于监测电源的测试电路,方法是将测试电路的输入接地(标称 0 伏),然后检查数字读数。AD7124 通过检查所需的 0.1 微法 (µF) 去耦电容器是否存在并已连接,进一步确保数据的完整性。方法是指示 AD7124 通过其内部开关物理断开去耦电容器,然后检查 LDO 输出。如果 LDO 电压下降,则去耦电容器未通电。同样,这也会设置错误标志位。
当然,每个 IC 都具有最高温度额定值,超出该值将超出规格,甚至会立即引发故障。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。

数字错误怎么办?

到目前为止,我们已经了解了如何确保模拟传感器或转换功能的性能和精度。但是,在部署了许多此类传感器的恶劣电气工业环境中,存在影响数字电子设备的噪声、EMI/RFI 和瞬变问题。因此,必须确保内部数字电路的性能,以及系统处理器的接口连接,以确保数据以及任何读写操作的稳健性。
AD7124 从以下操作和特性开始,通过多管齐下的方式实现这一点:
  • 检查主时钟的性能。在设置输出数据速率、滤波器建立时间以及滤波器陷波频率时,需要使用主时钟。主时钟由独立且可随时回读的向上计数寄存器进行检查。
  • 通过特殊时钟计数器,检查每个 SPI 读写操作中使用的 SCLK 脉冲数。该数值应为 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对有效的寄存器地址进行寻址。
这些步骤处理内部操作,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可信度,用户可以指示 AD7124 实施循环冗余校验 (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,并允许验证从寄存器读取的数据(图 5)。请注意,校验和是一种高可信度技术,甚至能够检测单比特错误,但无法纠正这些错误。
将基于多项式的 CRC 校验和添加到 SPI 写入和 SPI 读取事务的示意图(点击放大)
图 5:将基于多项式的 CRC 校验和添加到 SPI 写入(左)和 SPI 读取(右)事务,以检测单比特错误。(图片来源:Analog Devices)
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根据数据计算得出的校验和是否相符。
在恶劣的电气环境中,即使是存储器也可能出现比特错误。为了对片载寄存器中的此类错误进行高级校验,AD7124 每次都会针对以下情况的一系列操作计算校验和:
  • 存在寄存器写入周期时
  • 存在偏移/满量程校准时
  • 器件执行单个转换周期,ADC 在转换完成后进入待机模式时
  • 退出连续读取模式时
为了增强稳健性,还会评估内部只读存储器 (ROM)。上电时,所有寄存器均初始化为存储在 ROM 中的默认值。此时会对 ROM 内容执行 CRC 计算。如果计算出来的值与存储的 CRC 结果不同,则表示存在至少一个单比特错误。
AD7124 还可为多种类型的传感器提供激励,并可通过放大器和 PGA 对传感器输出信号进行调节和缩放。为了提供极高的稳健性,AD7124 包含许多内部寄存器,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 评估板快速启动 AD7124 设计

AD7124 是一个复杂的系统,具有许多设计可能性和性能。它并非简单的“即插即用型”传感器接口 IC。为了便于学习,并使设计人员能够快速熟悉各种潜在功能,Analog Devices 还提供了 EVAL-CN0376-SDPZ 评估板(图 6)。
Analog Devices 的 EVAL-CN0376-SDPZ 评估板图片
图 6:EVAL-CN0376-SDPZ 评估板可加快设计导入的速度,并允许全面运用 AD7124 的众多功能和特性。(图片来源:Analog Devices)
该评估板包含所需的电源和外部元器件,以便将 AD7124 连接到各种实际使用的传感器以及处理器。该板由基于 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中的数据。

总结

许多关键决策都是由嵌入系统处理器中的高级算法做出,如今这种决策方式在很多情况下因人工智能 (AI) 而得到改善。这些算法运行、得出结论并采取行动所依据的原始数据必须具有高度的完整性,这一点比以往任何时候都更为重要。AD7124 等 IC 可显著提高数据的可信度,确保信号链中的每个链路(从引线和传感器接口到自身的性能和功能)都按预期运行且未受损坏。

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