模拟+MCU的集成芯片为TI工业4.0铺路

2015-06-26 11:54:20来源: EEWORLD作者: 陈颖莹
——传承半个世纪的感测创新,压力传感信号调节器PGA900孕育而生
 
半个世纪的感测技术创新历程
 
    半个世纪的科技发展,让人类经历了工业电气化、自动化、电子信息化,现在又将迎来工业4.0时代。对于每一个企业和个人,这都是一个最好的时代,如果勇于创新和把握机遇;这也是一个最坏的时代,如果你裹足不前。下一站是天堂还是地狱,很大程度上就取决你是否有创新的产品满足市场需求。德州仪器(TI)深知这个道理,从其感测技术创新历程就能看出来。
 
    你是否知道,TI在感测技术上有50年的历史。
 
    你是否知道,你正在使用的温度、湿度、接近、光照、占用、气体/液体、生物感测、位置、压力、材料感测技术,TI都有。
 
    你又是否知道,温度传感器IC、单片红外 (IR) MEMS 温度传感器、气体/化学传感器模拟前端 (AFE)、电感数字转换器、电感式传感、用于光照测量的近红外 MEMS DLP......这些都是TI首创。
 
    近日,TI又最新推出一款压力传感信号调节器PGA900,为其传感创新添砖加瓦。TI半导体事业部中国区业务拓展总监吴健鸿以及TI半导体事业部中国区模拟业务拓展经理朱文斌专程来京向记者介绍了TI感测技术发展趋势以及PGA900的优势。
 
    朱文斌先生首先介绍了一些TI具有代表性的传感产品:“非接触式测温IC TMP006、TMP007是通过非接触式吸收红外测温的,这是业内首创。去年拿到奥斯卡大奖的DLP技术,除了在影院做投影,还能用在生物感测里,例如血管造影技术。把DLP的灯照到手臂上,血管造影就输出来,这样就会避免护士给婴儿和老人扎错血管的问题。TI有一款最新量产AFE4404芯片能够用光的方式测量心率和血氧功能,可以用在可穿戴设备上。”
 
    未了让传感器设计更简便快捷,TI提供离散信号调节&ADC-专用模拟前端-全集成传感器-Sensor Hub MCU一整套齐全的器件,并且提供TI Designs这样完整的参考设计。目前,TI Designs库中有超过50款。朱文斌先生表示:“TI Designs是针对性非常强的参考设计,可以拿来做ISO610004的ESD空气放电13 kV的认证,加上EM的认证。去年我们做了一个TI Design,用TI的一款Σ-ΔADC EAS1220做圆形的温度变送器方案,其经过第三方的ISO ESD及EMI测试,所以,客户可以直接用,元器件基本不用变。有了这些TI Design,可以加快用户在传感器上的研发进度。这是TI在整个传感器领域内所做的工作,就是两个方向,做更好的芯片、做优秀的TI Design。”
 
为工业而生,不信你看!
 
    压力传感器听说过,但是什么是压力传感信号调节器呢?朱文斌先生先给大家科普了一下:“信号调节器的主要目的是处理非线性的传感单元的输出,将其信号调理后再提供给外部控制电路。实质上就是把非线性信号转化为线性,精度高低取决于线性有多好,难点就在于此,它涉及内部ADC的精度(量化)、内核(用于非线性到线性的处理)、输出接口(是普通的0~5 V还是工业类通用的4 mA~20 mA)。此外,真正的压力传感器可能只有拇指那么大,插在一个系统里测油压等数据,这就对集成性提出了很高的要求。”
 

图 非线性-线性调节原理
 
    为什么选择PGA900呢?
 
   (1)快速、高精度的传感器信号和温度补偿。集成了 2 个 24 位 ADC 来提供高分辨率信号采集;最大值为10 ppm/℃的低漂移电压基准;在 -40℃~150℃工作温度范围内的实现高精度。(2)用户可编程温度和非线性补偿算法。内置集成型 ARM Cortex-M0 内核,使得开发人员能够使用专有的温度和非线性补偿算法设计差异化的产品。(3)完整的单片解决方案。 在小外形尺寸内集成了 24 位 ADC、14 位 DAC、可编程内核、电源管理功能以及多个输出接口,例如:SPI、I2C、 UART以及单线制接口。(4)电源电压范围为3.3 V~30 V,可以减少外围的保护电路,减小面积。此外,其流耗最大值仅为2.6 mA。
 
    再来看看PGA900评估模块,其电源输入为直流10~30 V,这样的高压输入可支持恶劣环境的工业应用;提供电流/电压模式选择,4 mA~20 mA电流环输出,满足工业应用需求。朱文斌先生强调:“4 mA~20 mA对于工业客户是非常重要的功能。此外,由于硅应变片、陶器应变片、合金应变片基本都是通过腐蚀、高温工艺加工出来的,因此误差会比较高,如果使用高精度的又很贵,有了PGA900以后,客户对于前端传感器的选择范围就更宽了。”
 
24位ADC+Cortex-M0内核的初衷
 
    说实话,就这么一个小小的信号调节器,有这么多高端模拟和嵌入式内核,记者听着就不可思议,精度不想高都很难。这么做的原因是什么呢?
 
    对于PGA900内置两个24位ADC的原因,朱文斌做出了解释:“一个通道用来采集桥式应变片的压力信号(非线性信号),另外一个是用来做温度的采集,因为温度对于压力传感器其实很重要。曾经有个客户做了一些成本较低的压力传感器芯片,由于里面没有温补的措施,他的终端客户要求又很高,正常压力传感器工作在60℃,但有时候系统温度油压达到100℃甚至150℃。这时候你如果没有很好的ADC对温度特性做量化,在150℃时做些补偿,这个产品有时候会出现关键系统失效的问题。因此,TI在做PGA900时,里面就集成了两颗高精度的ADC,能在-40℃~150℃延伸工业范围内做比较好的信号采集。”
 
    Cortex-M0?是的,TI目前嵌入式处理器产品系列还没有单独的基于Cortex-M0的MCU,但是模拟产品却走在了前面。为什么不是C2000或者其他TI嵌入式产品呢?吴健鸿先生简要地说明了原因:“首先,TI每条产品线的策略都不同,它们又自己的选择。其次,看所针对的应用,怎样的搭配才最合适。MCU的目的就是适合最广的应用场景,看重的是通用性。PGA900把24位ADC做一个简单的运算直接输出去,就需要M0这样有一点实时控制的内核,如果用M4,就有点‘杀鸡用牛刀’了。这是由PGA900的应用需求决定的。未来TI对于有简单控制要求的应用,也可能会推出基于M0内核的MCU。”
 
模拟+MCU IC成为TI工业发力点
 
    PGA900可应用领域包括工厂自动化、过程分析、楼宇自动化、智能传感网络、家电/中央空调、压力/温度变送器,最简单的是测压力、音力、流体、压差、液位和负重等。朱文斌先生表示:“压力是PGA900最大的市场,其实还有一些应用可以用到PGA900。很多加速度计是用桥式的应变片做的,有的湿度传感器也是用桥式的斯敏电阻做的,这些都属于PGA900的应用范畴。桥式的选择有很多,如硅式、陶瓷式、合金式等等,只要前端传感器是桥式的应变计(惠斯通电桥),就都可以用PGA900来处理。”据悉,针对汽车领域,TI也将推出类似PGA900的产品,而工业和汽车正是TI这几年主攻的两大块。
 
    谈到工业4.0,吴健鸿表示:“未来几年,工业对传感器的需求会越来越高。当然,不会像手机这么大的规模,但在生产或机械手臂里会有几十或几百个传感器,而且这些传感器会分布在很多不同的地方,传感器的数据可能需要远程传输。因此,整合MCU可以更方便地收集数据并传输到控制MCU,如C2000。所以,在这个行业,工业自动化特别看好整合的产品。TI的优势是产品线比较丰富,不管无线、MCU还是模拟,都有很多IP可以做整合的,只要市场有需求,我们就可以很快整合一个很好的产品,去符合这个市场的要求,就像我们这颗PGA900一样,可以很快把模拟、MCU整合在一起,提供给工业客户。在未来你会看到,TI会有更多的传感器+MCU,或者模拟+MCU这类的集成IC。”

关键字:压力传感  信号调节器  PGA900  传感器  感测技术  工业4  MCU  TI

编辑:chenyy 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2015/0626/article_10210.html
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