使用低功耗傳感器 AFE，實(shí)現(xiàn)高精度的化學(xué)或生物傳感系統(tǒng)

市場(chǎng)對(duì)于更精確的生物或電化傳感的需求日益增長，面對(duì)這種狀況，開發(fā)人員幾乎找不到有效的傳感器信號(hào)鏈解決方案，能夠同時(shí)提供精度和靈活性，以滿足不同的要求。設(shè)計(jì)人員需要在緊湊的外形內(nèi)提供這些功能，同時(shí)還要保持低功耗，這些需求不僅進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且打亂了設(shè)計(jì)日程。

如果沒有精確的傳感器信號(hào)采集和調(diào)節(jié)，要測(cè)量與生物和化學(xué)傳感應(yīng)用相關(guān)的包含噪聲的小信號(hào)源，可能導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤。在生物應(yīng)用（例如監(jiān)測(cè)人體生命體征）或化學(xué)應(yīng)用（例如毒氣檢測(cè)）中，由于測(cè)量誤差導(dǎo)致的漏報(bào)或誤報(bào)可能帶來災(zāi)難性后果。

本文將介紹Analog Devices的精密模擬前端 (AFE) 憑借對(duì) 2 線、3 線和 4 線傳感應(yīng)用的廣泛支持，提供一種簡單有效的解決方案。只需對(duì) AD5940 的配置和操作功能進(jìn)行編程，開發(fā)人員便可使用 AD5940 來快速實(shí)現(xiàn)超低功耗設(shè)計(jì)，滿足對(duì)精確的生物或電化傳感的不同要求。

生物和化學(xué)傳感系統(tǒng)的應(yīng)用

測(cè)量人體或電化電源的阻抗、電壓或電流變化，已成為很多應(yīng)用的一項(xiàng)重要功能。通過測(cè)量皮膚電活動(dòng) (EDA)（以前稱為皮電反應(yīng) (GSR)）來確定壓力指標(biāo)，可為醫(yī)療專業(yè)人員提供有關(guān)患者精神生理狀態(tài)的重要線索。如果沒有得到治療，長期心理壓力和焦慮可能導(dǎo)致心臟問題和其他嚴(yán)重的生理病理。

其他類型的測(cè)量，例如生物阻抗分析 (BIA)，也在消費(fèi)型健康與健身產(chǎn)品和醫(yī)療級(jí)分析中得到日益廣泛的應(yīng)用。BIA 已在人體成份檢測(cè)設(shè)備中使用多年，也吸引了醫(yī)療專家越來越多的關(guān)注，被當(dāng)作一種非侵入式技術(shù)用于血壓測(cè)量。醫(yī)療設(shè)備專家使用相關(guān)方法測(cè)量電化電源中的微小電流變化，并借助這些測(cè)量提供更有效的血糖監(jiān)測(cè)儀和其他設(shè)備。同樣，工業(yè)工程師也可在毒氣監(jiān)測(cè)儀和水質(zhì)測(cè)試儀等應(yīng)用中使用相同的電化測(cè)量方法。

這些測(cè)量技術(shù)和其他技術(shù)具有一些共同的特性，例如將電極放置在皮膚上或流體標(biāo)本中。但它們的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)具有很大的差異，開發(fā)人員必須能夠找到一種解決方案，以涵蓋廣泛的需求。

例如，EDA 測(cè)量需要低頻激勵(lì)源，它們的頻率通常不高于 200 赫茲 (Hz)，旨在限制激勵(lì)信號(hào)滲透到更深層的人體組織。它通常采用兩線電路實(shí)現(xiàn)，由某塊皮膚上的一對(duì)電極之間存在的源電壓，感應(yīng)出隨表皮導(dǎo)電性的變化而波動(dòng)的小電流。

相反，BIA 測(cè)量通常需要四線電路，將低頻激勵(lì)與高頻激勵(lì)（通常為 50 kHz）相結(jié)合，以便到達(dá)深層組織。

然而，電化測(cè)量通常需要另一種配置。這些測(cè)量將工作電極（參與一些相關(guān)化學(xué)反應(yīng)）、參考電極（用于維持恒定的電勢(shì)）和反電極（完成電流環(huán)路）組合在一起。

雖然這些不同測(cè)量的各種解決方案已問世多年，但很少有高效的替代解決方案能夠支持這些技術(shù)的不同要求。使用 Analog Devices 的AD5940BCBZ-RL7AFE，開發(fā)人員能夠更輕松地實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足高精度、小尺寸和低功耗要求的生物和電化傳感系統(tǒng)。

集成式 AFE

AD5940 是一款低功耗、多功能 AFE，能夠通過編程方式進(jìn)行配置，以支持需要 2 線、3 線或 4 線傳感器測(cè)量的廣泛應(yīng)用。通過將 AD5940 與一組合適的電極組合在一起，可以快速開發(fā)出能夠滿足健康、醫(yī)療和工業(yè)細(xì)分市場(chǎng)內(nèi)各種應(yīng)用測(cè)量要求的高精度器件。

除了可配置性和精度之外，AD5940 在 4 赫茲 (Hz) 的輸出數(shù)據(jù)速率下僅消耗不到 80 微安 (μA) 的電流，這使得開發(fā)人員能夠在新興的超低功耗產(chǎn)品（例如可穿戴設(shè)備和其他電池供電設(shè)備）中構(gòu)建測(cè)量功能。同時(shí)，AD5940 通過將高精度電壓、電流和阻抗測(cè)量所需的整套子系統(tǒng)集成到一起，簡化了設(shè)計(jì)（圖 1）。

圖 1：Analog Devices 的 AD5940 組合了生成激勵(lì)源和測(cè)量電流、電壓及阻抗所需的整套子系統(tǒng)。（圖片來源：Analog Devices）

AD5940 的功能架構(gòu)包括三個(gè)主要子系統(tǒng)，分別用于激勵(lì)輸出、輸入信號(hào)測(cè)量和控制。

作為激勵(lì)源，AD5940 提供了兩個(gè)單獨(dú)的高精度激勵(lì)回路。對(duì)于 BIA 等需要高達(dá) 200 kHz 高頻激勵(lì)的應(yīng)用，開發(fā)人員可以使用高帶寬回路，按照需要的頻率和波形生成激勵(lì)信號(hào)。在此回路內(nèi)部，波形發(fā)生器驅(qū)動(dòng)一個(gè)高速 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，該轉(zhuǎn)換器的濾波輸出再通過一個(gè)可編程增益放大器 (PGA)，驅(qū)動(dòng)激勵(lì)輸出放大器，從而將 AC 激勵(lì)信號(hào)與傳感器所需的 DC 偏置電壓組合在一起（圖 2）。

圖 2：對(duì)于高頻激勵(lì)要求，開發(fā)人員可以使用 Analog Devices 的 AD5940 高速信號(hào)鏈生成不同形狀和頻率（最高可達(dá) 200 kHz）的波形。（圖片來源：Analog Devices）

對(duì)于 EDA 或電化測(cè)量等需要來自 DC 的不超過 200 Hz 的低頻激勵(lì)的應(yīng)用，開發(fā)人員可以使用低帶寬激勵(lì)回路。在此回路中，由一個(gè)低功耗、雙輸出 12 位 DAC 驅(qū)動(dòng)一個(gè)低噪聲電位放大器 (PA) 的非反向輸入，而該放大器通常連接到 3 線傳感器配置中的反電極 (CE)（圖 3）。

在此配置中，測(cè)量回路含有基準(zhǔn)電極 (RE)，用于驅(qū)動(dòng) PA 的反向輸入，而傳感電極 (SE) 則驅(qū)動(dòng)一個(gè)低功耗跨阻放大器 (TIA) 的反向輸入，后者的非反向輸入由雙輸出 DAC 的另一個(gè)輸出通道驅(qū)動(dòng)。

圖 3：對(duì)于需要低頻激勵(lì)的 3 線傳感器配置，Analog Devices 的 AD5940 低帶寬回路包含一個(gè) PA，其輸出端連接到 CE，輸入端連接到 RE，同時(shí)由一個(gè)低功耗跨阻放大器 (LPTIA) 接收來自 SE 的輸入。（圖片來源：Analog Devices）

與低帶寬回路相同，高帶寬回路在高頻激勵(lì)信號(hào)鏈中包含了一個(gè)高速 TIA，用于將 SE 輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓。這兩種回路都將其相應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)至 AD5940 的集成模擬多路復(fù)用器，由其為輸入信號(hào)測(cè)量子系統(tǒng)提供服務(wù)。

信號(hào)測(cè)量子系統(tǒng)的核心是一個(gè)高性能模擬信號(hào)鏈，其中組合了一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)級(jí)，包括緩沖區(qū)、PGA 以及為 16 位逐次逼近寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 饋送信號(hào)的二階濾波器（圖4）。

圖 4：在 AD5940 信號(hào)測(cè)量子系統(tǒng)內(nèi)部，開發(fā)人員可利用一個(gè)模擬多路復(fù)用器，通過信號(hào)調(diào)節(jié)級(jí)驅(qū)動(dòng)不同的電壓源，以便由高性能 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（圖片來源：Analog Devices）

使用模擬輸入倍頻器，開發(fā)人員能夠利用不同信號(hào)源，包括內(nèi)部溫度傳感器、電源和基準(zhǔn)電壓以及其他外部信號(hào)源，為 ADC 信號(hào)鏈饋送信號(hào)。對(duì)于典型應(yīng)用，傳感器收集數(shù)據(jù)的主要信號(hào)源仍為低功耗 TIA 和高速 TIA 輸出（分別來自相應(yīng)的低帶寬和高帶寬回路）。

轉(zhuǎn)換之后，單獨(dú)的功能模塊提供進(jìn)一步的后處理，包括進(jìn)行數(shù)字濾波，以及自動(dòng)計(jì)算樣本集的平均值、中間值和方差。除了這些更基本的功能之外，AD5940 的后處理硬件還包括離散傅里葉變換 (DFT) 單元。借助這種 DFT 功能，開發(fā)人員可將 AD5940 配置為自動(dòng)計(jì)算阻抗測(cè)量中需要的幅度和相位值。

第三個(gè)主要子系統(tǒng)用于控制器件的工作，包括生成特定激勵(lì)源、轉(zhuǎn)換不同電壓源、執(zhí)行后處理功能。以這一控制子系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開發(fā)人員可利用一個(gè)可編程定序器來生成激勵(lì)和執(zhí)行傳感器測(cè)量，而無需主機(jī)微控制器或微處理器介入。

使用主機(jī)處理器將命令序列加載到 AD5940 后，開發(fā)人員只需發(fā)出命令來啟動(dòng) AD5940 定序器，然后立即使用一條等待中斷 (WFI) 指令或其他方法，將主機(jī)處理器置于低功耗休眠狀態(tài)。此時(shí)，定序器將接管 AD5940 的進(jìn)一步控制，獨(dú)立地執(zhí)行一系列測(cè)量，甚至在測(cè)量之間將器件置于低功耗模式（圖 5）。

圖 5：開發(fā)人員可對(duì) AD5940 進(jìn)行編程，使其即使在上電復(fù)位后仍舊獨(dú)立工作，即在啟動(dòng)過程中加載值，初始化器件，加載命令序列，以及最終運(yùn)行定序器。（圖片來源：Analog Devices）

在由定序器控制的自主工作期間，AD5940 從先進(jìn)先出 (FIFO) 命令緩沖區(qū)讀取命令，并將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)寫入 FIFO 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。命令和數(shù)據(jù) FIFO 緩沖區(qū)共享從 AD5940 的集成式靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SRAM) 分配的同一 6 kB 存儲(chǔ)塊，但兩個(gè) FIFO 緩沖區(qū)在操作上仍是獨(dú)立的。當(dāng)命令 FIFO 緩沖區(qū)清空或數(shù)據(jù) FIFO 緩沖區(qū)填滿時(shí)，可將 AD5940 編程為生成主機(jī)處理器中斷，以酌情加載其他序列或卸載數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從硬件和軟件的角度來看，使用 AD5940 進(jìn)行開發(fā)都很簡單。

由于它完全集成了需要的硬件子系統(tǒng)，開發(fā)人員只需使用很少的外部元器件，便可利用 AD5940 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如 4 線 BIA 測(cè)量回路。開發(fā)人員能夠配置 AD5940 低帶寬回路使用器件的兩個(gè)模擬輸入 (AIN) 端口 AIN2 和 AIN3，來處理所需的低頻測(cè)量（圖 6）。同時(shí)，他們可以使用器件的 CE0 和 AIN1 端口，實(shí)現(xiàn) BIA 應(yīng)用同時(shí)需要的高頻激勵(lì)和測(cè)量。

圖 6：使用 Analog Devices 的 AD5940，開發(fā)人員只需少數(shù)外部元器件，便可實(shí)現(xiàn)四線配置，提供在人體阻抗分析應(yīng)用中所需的低頻和高頻激勵(lì)。（圖片來源：Analog Devices）

借助一系列 Analog Devices 評(píng)估板，開發(fā)人員可以省略這一繁瑣的硬件接口設(shè)計(jì)步驟，快速地完成開發(fā)項(xiàng)目。Analog Devices 的EVAL-ADICUP3029評(píng)估套件基板采用ArduinoUNO外形尺寸設(shè)計(jì)，提供了基于 Analog Devices 的ADUCM3029微控制器的主機(jī)平臺(tái)。通過加裝 AD5940生物電盾板，開發(fā)人員可以立即開始使用 AD5940 來執(zhí)行類似 BIA 這樣的生物測(cè)量。或者，開發(fā)人員可以加裝 AD5940電化盾板，并添加氣體傳感器等外部傳感器，以執(zhí)行基于 AD5940 電化測(cè)量的毒氣分析。

開發(fā)人員可以快速利用可用的資源來評(píng)估基于 AD5940 的不同軟件應(yīng)用。除了開源的 C 語言AD5490 固件庫之外，Analog Devices 還提供開源庫，其中包括了多個(gè) C 語言應(yīng)用樣例，例如人體阻抗分析樣例應(yīng)用。

如清單 1 所示，BIA 模塊中的主例程 AD5940_Main() 調(diào)用了一系列的初始化函數(shù)：

AD5940PlatformCfg()是一個(gè) AD5490 固件庫函數(shù)，用于設(shè)置 AD5940 硬件子系統(tǒng)，包括 FIFO、時(shí)鐘和 GPIO。

AD5940BIAStructInit()是一個(gè) BIA 應(yīng)用函數(shù)，它使用開發(fā)人員能夠修改的值進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)例化，以便輕松更改應(yīng)用參數(shù)，例如以赫茲 (Hz) 為單位的樣本輸出數(shù)據(jù)速率 (BiaODR)，以及樣本的數(shù)量 (NumOfData)。

AppBIAInit()是一個(gè) BIA 應(yīng)用函數(shù)，用于復(fù)位參數(shù)，執(zhí)行校準(zhǔn)，以及通過調(diào)用另一個(gè) BIA 應(yīng)用例程AppBIASeqCfgGen()來對(duì)定序器進(jìn)行初始化。

復(fù)制 /* !!Change the application parameters here if you want to change it to none-default value */ void AD5940BIAStructInit(void) { AppBIACfg_Type *pBIACfg; AppBIAGetCfg(&pBIACfg); pBIACfg->SeqStartAddr = 0; pBIACfg->MaxSeqLen = 512; /** @todo add checker in function */ pBIACfg->RcalVal = 10000.0; pBIACfg->DftNum = DFTNUM_8192; pBIACfg->NumOfData = -1; /* Never stop until you stop it mannually by AppBIACtrl() function */ pBIACfg->BiaODR = 20; /* ODR(Sample Rate) 20Hz */ pBIACfg->FifoThresh = 4; /* 4 */ pBIACfg->ADCSinc3Osr = ADCSINC3OSR_2; } void AD5940_Main(void) { static uint32_t IntCount; static uint32_t count; uint32_t temp; AD5940PlatformCfg(); AD5940BIAStructInit(); /* Configure your parameters in this function */ AppBIAInit(AppBuff, APPBUFF_SIZE); /* Initialize BIA application.Provide a buffer, which is used to store sequencer commands */ AppBIACtrl(BIACTRL_START, 0); /* Control BIA measurment to start.Second parameter has no meaning with this command.*/ while(1) { /* Check if interrupt flag which will be set when interrupt occured.*/ if(AD5940_GetMCUIntFlag()) { IntCount++; AD5940_ClrMCUIntFlag(); /* Clear this flag */ temp = APPBUFF_SIZE; AppBIAISR(AppBuff, &temp); /* Deal with it and provide a buffer to store data we got */ BIAShowResult(AppBuff, temp); /* Show the results to UART */ if(IntCount == 240) { IntCount = 0; //AppBIACtrl(BIACTRL_SHUTDOWN, 0); } } count++; if(count > 1000000) { count = 0; //AppBIAInit(0, 0); /* Re-initialize BIA application.Because sequences are ready, no need to provide a buffer, which is used to store sequencer commands */ //AppBIACtrl(BIACTRL_START, 0); /* Control BIA measurment to start.Second parameter has no meaning with this command.*/ } } }

清單 1：在 Analog Devices 的人體阻抗分析 (BIA) 樣例應(yīng)用中，主例程演示了一些基本設(shè)計(jì)模式，用于初始化 AD5490、設(shè)置自定義參數(shù)、定義命令序列，以及最終在等待 AD5490 中斷的無限循環(huán)內(nèi)收集測(cè)量結(jié)果。（代碼來源：Analog Devices）

當(dāng)被AppBIAInit()函數(shù)調(diào)用時(shí)，AppBIASeqCfgGen()在配置執(zhí)行目標(biāo)序列（在本例中為阻抗測(cè)量）所需的 AD5940 子系統(tǒng)方面發(fā)揮了重要作用。該例程對(duì) D5940 固件庫頭文件 ad5940.h 中定義的一系列結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)例化，其中頭文件設(shè)置了每個(gè)應(yīng)用所需的特定配置和參數(shù)。

最后，AD5940_Main()調(diào)用AppBIACtrl()，在進(jìn)入用于收集數(shù)據(jù)的無限循環(huán)之前啟動(dòng)測(cè)量進(jìn)程。隨著數(shù)據(jù)變成可用狀態(tài)（由中斷信號(hào)指示），通過調(diào)用AppBIAISR()提取器件的數(shù)據(jù)（如果有），然后調(diào)用另一個(gè)例程AppBIADataProcess()，該例程用于處理原始數(shù)據(jù)，以生成應(yīng)用所需的結(jié)果（清單 2）。在生產(chǎn)應(yīng)用中，開發(fā)人員可以利用 AD5940 全面的中斷功能，創(chuàng)建更高效的數(shù)據(jù)收集方法。

復(fù)制 /* Depending on the data type, do appropriate data pre-process before return back to controller */ static AD5940Err AppBIADataProcess(int32_t * const pData, uint32_t *pDataCount) { uint32_t DataCount = *pDataCount; uint32_t ImpResCount = DataCount/4; fImpPol_Type * const pOut = (fImpPol_Type*)pData; iImpCar_Type * pSrcData = (iImpCar_Type*)pData; *pDataCount = 0; DataCount = (DataCount/4)*4;/* We expect RCAL data together with Rz data.One DFT result has two data in FIFO, real part and imaginary part.*/ /* Convert DFT result to int32_t type */ for(uint32_t i=0; iReal*pDftVolt->Real+(float)pDftVolt->Image*pDftVolt->Image); VoltPhase = atan2(-pDftVolt->Image,pDftVolt->Real); CurrMag = sqrt((float)pDftCurr->Real*pDftCurr->Real+(float)pDftCurr->Image*pDftCurr->Image); CurrPhase = atan2(-pDftCurr->Image,pDftCurr->Real); VoltMag = VoltMag/CurrMag*AppBIACfg.RtiaCurrValue[0]; VoltPhase = VoltPhase - CurrPhase + AppBIACfg.RtiaCurrValue[1]; pOut[i].Magnitude = VoltMag; pOut[i].Phase = VoltPhase; } *pDataCount = ImpResCount; /* Calculate next frequency point */ if(AppBIACfg.SweepCfg.SweepEn == bTRUE) { AppBIACfg.FreqofData = AppBIACfg.SweepCurrFreq; AppBIACfg.SweepCurrFreq = AppBIACfg.SweepNextFreq; AD5940_SweepNext(&AppBIACfg.SweepCfg, &AppBIACfg.SweepNextFreq); AppBIACfg.RtiaCurrValue[0] = AppBIACfg.RtiaCalTable[AppBIACfg.SweepCfg.SweepIndex][0]; AppBIACfg.RtiaCurrValue[1] = AppBIACfg.RtiaCalTable[AppBIACfg.SweepCfg.SweepIndex][1]; } return AD5940ERR_OK; }

清單 2：Analog Devices 的人體阻抗分析 (BIA) 樣例應(yīng)用中的AppBIADataProcess()例程展示了開發(fā)人員如何在自定義的后處理例程（例如計(jì)算電壓幅度和相位的這一例程）中使用 AD5940 測(cè)量數(shù)據(jù)。（代碼來源：Analog Devices）

為了構(gòu)建適用于健康和健身可穿戴設(shè)備且功能更豐富的解決方案，開發(fā)人員可將 AD5940 的阻抗測(cè)量功能與 Analog Devices 的AD8233心率監(jiān)測(cè)器結(jié)合使用（請(qǐng)參閱“專用心率監(jiān)測(cè)器 IC 克服 ECG 噪聲和功耗挑戰(zhàn)”）。

結(jié)論

Analog Devices 的 AD5940 AFE 支持眾多的 2 線、3 線和 4 線傳感應(yīng)用，針對(duì)精確的生物或電化傳感應(yīng)用所面臨的精度和靈活性難題提供了一種簡單有效的解決方案。只需對(duì) AD5940 的配置和操作功能進(jìn)行編程，開發(fā)人員便可使用 AD5940 快速實(shí)現(xiàn)超低功耗設(shè)計(jì)，滿足不同應(yīng)用的需求。