新一代智能气体检测方案

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。

世健公司的工程师推荐了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

LOW BANDWIDTH LOOP 低带宽回路

两个双通道输出电压DAC
两个低功耗、低噪声放大器（AD594X=1个）
两个低功耗、低噪声TIA（AD594X=1个）
可编程负载和增益电阻

HIGH BANDWIDTH LOOP 高带宽回路

1个高速12位电压DAC
1个用于阻抗测量的高速TIA
输出上的可编程增益放大器
阻抗测量范围：<1 Ω至10 MΩ， 0.016 Hz至200,000 Hz

模拟输入/输出

16 位、400 kSPS ADC 电压
内部和外部电流和电压通道
超低泄漏开关矩阵和输入多路复用器
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

数字波形发生器
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。以及上图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。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LPTIA_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（LPTIA 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。