工业应用中的智能传感器接口

来源：Industrial Embedded Systems Sensors help translate the real world of analog signals and varying voltages into the digital processing realm. This article looks at several blocks that form a “smart” sensor interface along with CMOS processes capable of integrating these blocks on a single monolithic solution. This includes a look at how low- and high-voltage mixed-signal capabilities are being combined while assuring good shielding between noisy blocks and the sensitive analog signal path. 工业应用中的智能传感器接口 传感器有助于现实世界中的模拟信号和变化量转换进入数字处理领域。此文考察了一些组成“智能”传感器接口的模块，以及把这些模块集成为一个单块集成电路方案的CMOS工艺。这包括整合高低压混合信号能力，保证在噪声模块和敏感模拟信号通道间进行有效防护。 当今日益复杂的系统推动着更多的智能集成到传感器元件上，先进的加工工艺使集成成为可能。把所有需求功能集成到一个完整传感器上，有时需要敏感的模拟电路、数字处理、高压等功能。有了先进工艺和电路设计技术，各方面的要求均能得到满足。 传感器接口ASIC（专用集成电路）方案可把一个普通传感器变成一个智能的现实世界传感器。我们得把注意力集中在调理、转换、和传感器信号处理的最佳方法上——这包括智能传感器接口的关注：温度传感、霍尔效应检测、标定、诊断。通过在一个单芯片上集成更多功能，设计者可以使原件成本、PCB空间和物流成本最小化，而使可靠性和知识产权IP保护最大化。 智能传感器 传感器在电子系统和自然世界之间提供一个接口，帮助电信号能够被看到、嗅到、尝到、听见、和摸到。在它们与现实世界的接口上，传感器通常把非电的物理或化学量转换为电信号。随着微处理器和ASIC的发展，信号处理变得成本低廉，准确可靠。图1为一个真实智能传感器的接口框图。 速度 时间/相位 功率 阻抗 自感系数 热量 传感器接口 驱动级（驱动连续电流2.5A，峰值5A 保护诊断） 校准电压电流（状态机 ARM核装置）信号调理和处理（程序 EEPROM OTP FLASH） 接口（SPI CAN VAN LIN 电压输出 电流回路） 特色1 工业智能传感器应用一般要求模拟和数字功能集成到单芯片上。这种趋向通常由紧凑外形和成本要求所驱动。能够处理高速开关数字晶体管和高低压模拟晶体管的新技术的发展，有助于组合功能的加入。 常规混合信号技术支持模拟控制和信号处理（如放大器、模数转换、数模转换、和过滤器），这些功能同数字功能（如微控制器、内存、周边功能）集成于一个芯片上。大多数信号处理算法或算术计算都是数字形式的，那么当给微处理器提交数据进行比较或处理时，就需要进行模数转换。传感器接口也可能会要求信号从数字输出（微控制器）转换为模拟高压信号，用以驱动执行器或负载。 最近AMI半导体开发的混合信号技术有效简化了这些驱动功能的实施。这项技术支持更高电压功能集成到IC中，与常规混合信号功能所需的相对低压并存。这项信号混合技术特别适用于工业电子应用，比如需要高压输出来驱动电机或继电器。这些高压功能需要与低压模拟信号调理功能和数字处理功能合并。 AMI半导体的I3T技术提供了在同一设计平台上数字和模拟集成能力。I3T技术系列建立在标准CMOS 0.35µm工艺基础上，非常适用于汽车、工业、制药市场——这需要一个外加数字功能和内存的模拟/传感器接口。 I3T 技术对于智能传感器设计的支持，主要包括高达80V的高压接口，32位的微处理能力，1GHz的无线频率能力，15K门/m2的高密度逻辑设计能力。除了这些支持，还有可与EEPROM集成的4kBytes非易失存储器，0.5兆闪存支持，或可在应用测量中使用的一次性可编程单元。 嵌入式处理器核的发展驱动着智能传感器接口不断集成。对于很多应用，处理智能的合适选择是使用8位微控制器，如8051。通常，8位处理器仍然是传感器接口中最受欢迎的选择，因为一般应用倾向于较不复杂系统功能和简单智能来控制继电器、马达, 或一些简单的执行器。 传感器接口 一个智能传感器接口的典型应用图表如图2所示。模拟信号调理部分(绿色显示)是主要的传感器接口。输入信号通过这个接口被接收、过滤、放大。传感器的输出通常为微弱信号，因而须注意保持其信噪比。传感器的输出幅度（电压或电流）确定输入信号调节量，从而正确决定传感器信息。保持整个信号路径中传感器信号完整性至关重要. 模拟/传感器接口 24V-3.3V电源选择模式 过零检测— 传感器信号调理 片上温度检测—多路复用器（多路开关）—12位1兆秒AD取样 低压检测 POR外部命令寄存器 OTP/EE调整 带隙参考源1.5V 数字处理 FLASH程序控制 信道控制 内部可选时钟 振荡器和时钟控制 JTAG接口 UART/CAN/LIN 4K*8 SRAM（静态存储） 32K*8程序闪存 1K*8数据闪存 8位8051微控制器 16位定时器 看门狗 接口控制 GPIO（通用输入输出） 输出接口 继电器 Triac驱动高压接口 PWM控制/驱动 LED显示/控制台接口 特色2 图2中的处理器与内存对即插即用功能很重要。在传统系统中，每个传感器都有着不同的增益、偏移和滞后，这在系统其他地方须进行补偿。一个智能传感器节点储存着传感器的物理特性，并在处理器内部对不理想特性进行补偿。这使得更换传感器时不需要调校。 低压检测功能在电力中断时提醒处理器，使处理器有充足时间把重要数据储存到flash中。还有一为数字处理部分提供3.3V电压的开关电源（黄色显示)。除了储能原件如电容电感，大部分的电源元件可以集成。 数字模块提供必需的信号处理，对输出接口进行必要的控制（棕色显示）。这个模块能够根据特殊传感器需求进行定制。数字模块是从模数转换器中取得数据。 在许多应用中，我们对原始数据并不感兴趣，但重要的是可用信息来源于它。例如，某地的精确温度可能并不重要，但是知道什么时候温度超过一个限定值却是我们所感兴趣的。一个智能传感器节点只会在温度到达限度时才会发送一条信息，而不是持续发送信息进行温度检测。只在网络上发送想要的信息，将使每个节点所需要的带宽大大减少，从而使得一个网络容纳更多的节点。 输出区有一系列功能组成，其通常需要驱动一些执行器、显示、串口，每个驱动元件的开关电流一般小于100mA。这块通常包含某个串行接口，如CAN、LIN、I2C、HART,或SPI。在电子传感器和作为高阶系统一部分的主处理器之间，必须有一个串行通讯接口。 集成的挑战 在一个芯片上集成这些功能，带来了耦合噪声影响的挑战。比如，来自于高速数字电路的时钟噪声经常干扰噪声敏感型模拟功能。而来自高功率模拟功能的开关电流可能干扰低压数字处理器。我们的目标是保护低压晶体管免于10-30倍以上电压的电场效应影响。通常的降噪措施包括：分离数字和模拟电源线路，通过沟道隔离和衬底结进行电力屏蔽，避免通道布于敏感模拟元件附近或其上，对可能用到金属层的地方进行屏蔽。 特色3. 工艺的进步带来集成的挑战。作为AMI半导体 I3T 产品系列的最新产品，I3T50 DTI，使用了深槽介质隔离技术。这种技术利用了一系列隔离沟、埋深集成电路基板，有效创建了噪声和电源参数严格受控的片上隔离区。深槽介质技术通过允许高压模拟区和低压区的紧密整合来减少芯片面积——与采用标准结绝缘技术设计相比，其将改善10-60个百分点。图3为这种技术装置的一个横剖面。 这项新技术建立在AMIS低压0.35µm CMOS半导体工艺（有metal-metal电容和匹配高值电阻）基础上。I3T50 有着高压DMOS 和包括高性能浮点垂直nDMOS 晶体管在内的的双极器件。这些晶体管在50V击穿电压情况下有低于50mΩ/mm2的漏源电阻。 I3T 技术的抗静电放电（ESD）容量额定为人体电压4.5KV、充电设备型750V。 在设计中，可能需要使用高低压装置、线性电容、高阻、浮点二极管，和许多集成装置，来完成装配智能传感器。 综述 技术进步加上优良设计技术,使得传感器元件高度集成化。这个高集成给传感器节点提供更多的智能，从而使在一个总成本较低情况下提供一个改良的系统功能。智能传感器接口需要适应有着不同电压电流值的多类型传感器。这一点，以及更高驱动要求，在集成和封装上提出了挑战。新设计技术加上先进CMOS工艺现在达到了一个新水平，从而使创造智能的传感器变成可能。 Gary Alleven， AMI半导体（AMIS）混合信号领域应用工程师。曾在CYPRESS半导体，ADC电讯、ATK公司、FMC、TI德州仪器任职研发工程师。Alleven拥有四项CMOS低速驱动电路专利。