作者：德州仪器公司 Zach Albus
采用智能化更高的传感器接口能将16位的高性能CPU与16位ADC的处理功能相结合，从而大幅简化设计工作，尤其是在集成解决方案体积较小、价格较低的时候更是如此。本文将重点介绍上述数据采集系统架构的各种优势，其中包括更低功耗、更小体积、更少的主机CPU负载、功能齐备以及传输中可配置性等。
为什么要寻找“更智能化”的解决方案
对负责系统后端的模拟设计人员而言，通常只能对ADC进行优化。不过，这时数字接口基本已经不能变更了。当然，非常多的主机处理器都具备极高的性能且集成了灵活的ADC功能，而许多MCU都能理想地满足各种应用需求。不过需要再次强调的是，MCU的选用是由多种要求决定的，而模拟功能只是其中的一部分。
除了花费大量时间开发昂贵的ASIC、承担高风险之外，还有没有别的办法呢？办法当然是有的。若不将模拟功能与主机处理器相集成，那么将数字智能集成至ADC中又未尝不可呢？这就能实现“更智能化”的设备，既能充分满足传感器前端的模拟性能要求，又具备与系统主机处理器接口相连的足够灵活性。图1阐述了这一理念及上述各种方法。
图1 智能ADC数据采集系统的发展
小智慧有大作用
毫无疑问，这不是一种新的概念，不过却经常被忽视。只要可能，我们就应采用智能 ADC 数据采集系统，其对系统的影响大大超过此前介绍的范畴。一般说来，设计人员考虑的问题包括智能处理器解决方案的大小或占板面积，当然价位也是非常重要的因素。价格通常是大多数高销量应用的限制因素，这使设计人员不得不采取效率较低的、会影响集成度的独立解决方案。
智能ADC系统架构的优势在于，数字和模拟设计都具备极大的灵活性，这同时也为软件开发提供了极高的灵活性。智能ADC解决方案的集成CPU和数字外设实现了更简单的A／D 控制和数据处理功能。ADC 不仅具有全面可编程性，而且无须与主机CPU 互动就能实现传输中控制。此外，智能ADC作为模拟信号的预处理器，不仅能捕获已转换的数字数据，还能在向系统主机传递数据之前对数据进行处理。这使求数据平均值乃至更复杂的数据过滤等功能都得以简化。
为了说明上述功能减轻主机负荷，我们不妨考虑外部16位ADC采用3线SPI接口通信的简单例子。主机不仅要配置ADC，等待转换完成，还要检索每个16 位结果，并处理得出平均值。即便在ADC与主机处理器集成的情况下，能优化的也只是数据通信。主机仍要处理数据、计算平均值，并提供所有 ADC 控制和配置功能。
我们不妨将这种简单而低效的系统与智能 ADC 系统相比较，智能系统具备相同的主机功能，但主机只需从“智能” ADC中检索数据。所有ADC控制功能和预处理的数据以及平均值计算都由智能ADC完成，从而解放了主机，使其能从事更高级的功能。
智能化程度更高的MCU是解决之道
超低功耗MSP430F2013 MCU就是此类智能型ADC的一个优秀典范。所有的ADC控制和数据处理均无需主机完成，不仅提高了灵活性，而且还加强了整个系统的效率。这乍看起来似乎对降低成本、提高存储器容量以及CPU吞吐量等方面没什么大用，但是我们需考虑到，有的任务每秒必须要处理数十次、上百次，乃至上千次。因此，智能ADC所能实现的优势是极为明显的。
智能程度更高的ADC所带来的优势和功能远远超出了A/D 转换及数据处理的范畴。在更高的层面上MSP430F2013的2KB片上存储器可存储校准数据，以及针对温度变化的传感器补差表，补偿传感器采样信息的不足。此外，128B RAM还能存储数据日志和多采样缓冲。系统主机可用剩余的存储器存储其他各种数据。
MSP430超低功耗架构的关键优势之一也进一步扩展到了系统模拟领域，能实现非常灵活且易于管理的电源架构，从而充分满足电流需要。由于处理器的唤醒时间不到1μs，因此该解决方案有助于我们大幅降低平均系统功耗要求。图2显示了有关系统如何利用主机和智能ADC的概念。
图2 智能ADC的系统架构
结论性的设想
如果您下次设计混合信号应用时要采用外接ADC，那么不妨考虑一下各种选择。采用简单的外部模数转换器可能并不是最好的解决方案，特别是当采用智能ADC较为合适时更是如此。
“智能传感器接口”能够将16位CPU与16位ADC的处理能力完美结合在一起，从而大幅简化设计工作，尤其是在解决方案体积较小时优势更为显著；而且其成本基本相当于专用模数转换器解决方案，有时甚至还会更低。这种数据采集系统架构的优势还能扩展到其他设计领域，如降低功耗、提高系统可升级性以及实现最终设备的差异化创新等。
