許多針對物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的設(shè)計都依靠模擬電路，以便滿足應(yīng)用對傳感器和致動器的信號調(diào)節(jié)、電流控制和其他功能的獨特要求。雖然專用的信號鏈 IC 可以滿足這種需求，但是成本和空間嚴(yán)格受限的設(shè)計需要一種專門方法，這種方法不但應(yīng)該滿足性能要求，還應(yīng)該使用更少的零件來實現(xiàn)這一功能。
為滿足這一需求，微控制器應(yīng)運而生。通過集成諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和比較器等模擬外設(shè)，微控制器可以簡化傳感器和致動器的接口性質(zhì)。然而，直到最近，工程師們通常還需要添加模擬零件，來提供大多數(shù)設(shè)計所需的信號調(diào)節(jié)或輸出緩沖。
通過在微控制器上添加這些模擬信號調(diào)節(jié)電路，開發(fā)人員現(xiàn)在只需操作幾行代碼，即可有效配置這些元件，從而滿足可穿戴設(shè)備和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的各種模擬接口要求。
本文將討論物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備對前端模擬信號調(diào)節(jié)要求的需求，然后介紹一類具有高度集成模擬功能的微控制器，并說明如何應(yīng)用此類微控制器。
將傳感器連接到微控制器
傳感器設(shè)計通常需要一個或兩個放大器來調(diào)節(jié)變送器的輸出信號，然后才能到達微控制器的 ADC 輸入。諸如用于心率監(jiān)測的脈搏血氧計等較復(fù)雜器件需要多個信號鏈，才能產(chǎn)生 LED 激勵波形，轉(zhuǎn)換光電二極管輸出，并最終提取脈沖數(shù)據(jù)（圖 1）。即使是工業(yè)應(yīng)用中通常用于將傳感器連至可編程邏輯控制器的簡單電流環(huán)路，也需要其他設(shè)備來驅(qū)動和控制電流輸出。但是，通過使用 MSP430FR2355 MCU 中的內(nèi)部模擬元件，開發(fā)人員可以實現(xiàn)更緊湊的設(shè)計，一般只需添加幾個無源元件即可。
圖 1：用戶期待更緊湊產(chǎn)品能夠提供更多高級功能，這意味著，開發(fā)人員需要在實現(xiàn)復(fù)雜信號路徑（如此圖中脈搏血氧計的路徑）時大幅減少零件的數(shù)量。（圖片來源：Texas Instruments）
集成模擬元件
Texas Instruments MSP430FR2355 MCU 基于 16 位 RISC 處理器內(nèi)核，可提供許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計中通常需要的全套功能。作為 TI MSP430 FRAM 系列器件之一，MSP430FR2355 集成了 32 KB 的低功耗鐵電存儲器 (FRAM)。FRAM 非常適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，具有閃存的非易失性存儲優(yōu)勢，以及 RAM 的寫入速度和耐用性。因此，開發(fā)人員可以利用 FRAM 的類似于 RAM 的性能品質(zhì)，在激活模式下存儲數(shù)據(jù)和程序代碼，并且可以利用 FRAM 的非易失性功能，在休眠模式或其他需要節(jié)省電能的運行狀態(tài)下保留數(shù)值。MSP430FR2355 支持多種低功耗模式，旨在滿足這些設(shè)計中典型的低功耗要求。
除了低功耗特性外，MSP430FR2355 還可通過幾個集成的模擬外設(shè)支持物聯(lián)網(wǎng)接口要求，這些外設(shè)包括 12 通道 12 位 ADC、配有集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的模擬比較器以及多個片上電壓基準(zhǔn)。MSP430FR2355 MCU 的最獨特模擬功能是它的四個智能模擬組合 (SAC) 模塊，開發(fā)人員可通過編程方式配置這些模塊，以滿足特定需求。
每個 SAC 模塊均包括一個 12 位 DAC、一個軌至軌運算放大器 (OA) 和一個可將 OA 轉(zhuǎn)變?yōu)榭删幊淘鲆娣糯笃?(PGA) 的反饋電阻梯。每個元件的專用寄存器可控制其配置和工作模式。例如，開發(fā)人員可以簡單地在 SAC (SACx) 模塊的 OA 寄存器 (SACxOA) 中加載 0:1 位，從而將 OA 的正輸入設(shè)置為某個外部源、DAC 輸出或成對的 SAC 源（如下所述）。
TI 公司的驅(qū)動程序庫將這些位操作抽象為一組直觀的應(yīng)用程序編程接口 (API) 調(diào)用。因此，開發(fā)人員只需幾行代碼（清單 1），即可將 SAC 模塊編程為通用放大器，以便完全取代傳感器信號調(diào)節(jié)放大器，從而減少零件數(shù)量，縮小設(shè)計尺寸（圖 2）。
復(fù)制 //Select external source for both positive and negative inputs SAC_OA_init(SAC0_base, SAC_OA_POSITIVE_INPUT_SOURCE_EXTERNAL, SAC_OA_NEGATIVE_INPUT_SOURCE_EXTERNAL); //Select low speed and low power mode SAC_OA_selectPowerMode(SAC0_base, SAC_OA_POWER_MODE_LOW_SPEED_LOW_POWER) // Enable OA SAC_OA_enable(SAC0_base); // Enable SAC SAC_enable(SAC0_base);
清單 1：在該示例中，要實現(xiàn)通用放大器，開發(fā)人員只需調(diào)用幾次 Texas Instruments 驅(qū)動程序庫，初始化 SAC OA 輸入 (SAC_OA_init)，然后將其功耗模式 (SAC_OA_selectPowerMode) 設(shè)置為低功耗，最終啟用 OA 和 SAC 即可。（代碼來源：Texas Instruments）
圖 2：開發(fā)人員可以使用 MCU 四個智能模擬組合 (SAC) 模塊的其中一個，通過 Texas Instruments MSP430FR2355 MCU 內(nèi)部實現(xiàn)的運算放大器來取代外部運算放大器。（圖片來源：Texas Instruments）
要充當(dāng)輸出波形發(fā)生器，SAC 模塊需要接入更多元件（圖 3）。在這種情況下，開發(fā)人員可通過編程方式，將數(shù)據(jù)加載到可設(shè)置內(nèi)部 DAC 輸出的專用數(shù)據(jù)寄存器 (SACxDAT) 中，從而實現(xiàn)波形控制。DAC 輸出隨即可為 OA 提供基準(zhǔn)電壓。在此配置中，開發(fā)人員可將 PGA 寄存器 (SACxPGA) 中的 0:1 位 (MSEL) 設(shè)置為緩沖模式 (01b)，以此增強 OA 的驅(qū)動強度，緩沖模式 (01b) 對應(yīng)于浮動輸入。要配置此工作模式，開發(fā)人員只需多執(zhí)行幾次 API 調(diào)用（清單 2）即可——與上述通用配置所需的調(diào)用相比。
圖 3：開發(fā)人員可使用 SAC 模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和運算放大器元件，實現(xiàn)可編程波形發(fā)生器。（圖片來源：Texas Instruments）
復(fù)制 //Select internal shared reference as DAC reference voltage SAC_DAC_selectRefVoltage(SAC0_base, SAC_DAC_SECONDARY_REFERENCE); //Select the load trigger for DAC data latch //DAC always loads data from DACDAT at the positive edge of Timer output TB2.1 SAC_DAC_selectload(SAC0_base, SAC_DAC_LOAD_DEVICE_SPECIFIC_0); //Enable DAC Interrupt SAC_DAC_interruptEnable(SAC0_base); //Write data to DAC Data Register SACxDAT //DAC_data is an unsigned int type variable defined by user SAC_DAC_setData(SAC0_base, DAC_data); //Enable DAC SAC_DAC_enable(SAC0_base); //Select internal DAC for positive input and PGA source for negative input SAC_OA_init(SAC0_base, SAC_OA_POSITIVE_INPUT_SOURCE_DAC, SAC_OA_NEGATIVE_INPUT_SOURCE_PGA); //Select Buffer Mode SAC_PGA_setMode(SAC0_base, SAC_PGA_MODE_BUFFER); //Enable OA SAC_OA_enable(SAC0_base); //Enable SAC SAC_enable(SAC0_base);
清單 2：要將 SAC 模塊配置為波形發(fā)生器，除了用作通用放大器所需的 API 調(diào)用之外，開發(fā)人員只需多執(zhí)行幾次 API 調(diào)用即可。（代碼來源：Texas Instruments）
多級
在許多情況下，開發(fā)人員需要使用多個放大器構(gòu)建的信號條件或輸出鏈。例如，傳感器系統(tǒng)設(shè)計人員通常可級聯(lián)放大器，以緩沖變送器輸出，并放大緩沖信號，從而與位于信號鏈一端的 ADC 的滿量程響應(yīng)相符。同樣，輸出接口的開發(fā)人員通常需要級聯(lián)放大器來生成波形，并控制柵極驅(qū)動器。例如，為了構(gòu)建電流環(huán)路接口，開發(fā)人員可使用配置為 DAC 模式的 SAC 模塊來提供調(diào)制信號電壓。通過將第二個 SAC 模塊配置為 OA 模式，可以使用外部晶體管將信號電壓轉(zhuǎn)換為電流（圖 4）。
圖 4：為了構(gòu)建電流環(huán)路接口，工程師可以使用一個配置為 DAC 模式的 SAC 模塊來生成調(diào)制信號電壓，然后使用第二個配置為 OA 模式的 SAC 模塊來驅(qū)動晶體管，從而產(chǎn)生環(huán)路電流 ILOOP (I1 + I2)。（圖片來源：Texas Instruments）
MSP430FR2355 MCU 為級聯(lián)放大器提供了更高效的方法。對于不需要其他外部元件的設(shè)計，開發(fā)人員可利用內(nèi)置路由，在內(nèi)部將 SAC 模塊互連成兩對：SAC0 內(nèi)部連接到 SAC2，SAC1 連接到 SAC3。
這種互連可應(yīng)用于傳感器系統(tǒng)，例如需要將光電二極管的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓電平以進一步進行轉(zhuǎn)換的煙霧探測器。開發(fā)人員只需幾行代碼，即可通過一對 SAC 模塊來實現(xiàn)這一信號鏈（清單 3）。在本電路圖中，SAC2 被配置為跨阻放大器，可將光電二極管的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓，而成對的 SAC0 可為下游 ADC 放大該電壓（圖 5）。如清單 3 所示，SAC2 和 SAC0 之間的內(nèi)部連接僅在 API 調(diào)用 (SAC_OA_init) 中創(chuàng)建，以便通過將 PGA 用作 OA 的負(fù)輸入源 (SAC_OA_NEGATIVE_INPUT_SOURCE_PGA)，將成對 OA 用作正輸入源 (SAC_OA_POSITIVE_INPUT_SOURCE_PAIR_OA) 來初始化 SAC0 (SAC0_base)。
復(fù)制 //Configure Op-Amp functionality GPIO_setAsPeripheralModuleFunctionInputPin(GPIO_PORT_P3, GPIO_PIN1 | GPIO_PIN3 | GPIO_PIN2, GPIO_TERNARY_MODULE_FUNCTION); //Select external source for both positive and negative inputs SAC_OA_init(SAC2_base, SAC_OA_POSITIVE_INPUT_SOURCE_EXTERNAL, SAC_OA_NEGATIVE_INPUT_SOURCE_EXTERNAL); //Select low speed and low power mode SAC_OA_selectPowerMode(SAC2_base, SAC_OA_POWER_MODE_LOW_SPEED_LOW_POWER); SAC_OA_enable(SAC2_base); // Enable SAC2 OA SAC_enable(SAC2_base); // Enable SAC2 //Select external source for both positive and negative inputs SAC_OA_init(SAC0_base, SAC_OA_POSITIVE_INPUT_SOURCE_PAIR_OA, SAC_OA_NEGATIVE_INPUT_SOURCE_PGA); SAC_OA_enable(SAC0_base); // Enable SAC0 OA SAC_enable(SAC0_base); // Enable SAC0
清單 3：開發(fā)人員只需初始化 MSP430FR2355 MCU 的一對 SAC 模塊，并規(guī)定下游級的輸入端需將成對 OA 用作其來源 (SAC_OA_POSITIVE_INPUT_SOURCE_PAIR_OA)，即可創(chuàng)建一個兩級信號鏈。（代碼來源：Texas Instruments）
圖 5：通過配置 MSP430FR2355 MCU 的成對 SAC 模塊，實現(xiàn)典型煙霧探測器輸入信號鏈中所需的跨阻放大器 (TIA) 和可編程增益放大器 (PGA)，開發(fā)人員可以有效地消除煙霧探測器設(shè)計中對外部模擬 IC 的需求。（圖片來源：Texas Instruments）
使用這種方法，開發(fā)人員幾乎可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計及可穿戴設(shè)備所需的全套模擬輸入和輸出電路。例如，開發(fā)人員可使用 MSP430FR2355 SAC 模塊，將復(fù)雜的模擬設(shè)計（如圖 1 所示的脈搏血氧計）簡縮成更緊湊的版本（圖 6）。除了 LED、光電二極管和相關(guān)電阻器外，設(shè)計人員只需 MCU 即可實現(xiàn)同樣的功能。
圖 6：開發(fā)人員可以使用 MSP430FR2355 MCU 及其 SAC 模塊，在需要多個輸出激勵源和多級輸入信號鏈的脈搏血氧計等設(shè)計中，大幅減少零件的數(shù)量。（圖片來源：Texas Instruments）
要評估 MSP430FR2355 MCU 及其 SAC 模塊的用途，開發(fā)人員可利用 Texas Instruments MSP-EXP430FR2355 LaunchPad 開發(fā)套件。該電路板設(shè)計用于加快原型開發(fā)，包括基于 MSP430FR2355 的完整系統(tǒng)，系統(tǒng)配有光傳感器、LED、按鈕（用于與簡單示例應(yīng)用程序交互）以及用于軟件開發(fā)的板載調(diào)試探頭。
Grove 連接器可連接各種基于 valuation-boards-expansion-boards-daughter-cards/797?s=N4IgjCBcpg7ALAJiqAxlAZgQwDYGcBTAGhAHsoBtEAZgFY5ZaQBdEgBwBcoQBlDgJwCWAOwDmIAL4kAtMmgh0kAQFdiZSiACcLCVJByqo-qQBuBHUA">Grove 的附加組件，TI BoosterPack 連接器則可讓開發(fā)人員通過 valuation-boards-expansion-boards-daughter-cards/797?s=N4IgjCBcoLQExVAYygFwE4FcCmAaEA9lANogCcIAugL7X4KSkBGBBAzqtugA4CGSAayrUgA">RF BoosterPacks 輕松擴展基礎(chǔ)平臺，從而實現(xiàn)無線連接。TI 還提供一組示例軟件應(yīng)用程序，這些程序設(shè)計用于在 LaunchPad 套件上立即運行。除了運行 LaunchPad 開發(fā)板之外，示例軟件還演示了基本設(shè)計模式，例如清單 3 代碼片段中顯示的 SAC 模塊互連方法。
結(jié)論
任何與現(xiàn)實世界交互的器件一般都需要模擬接口。然而，在針對可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的許多設(shè)計中，構(gòu)建這些接口所需的附加設(shè)備與更緊湊設(shè)計和減少零件數(shù)量的要求背道而馳。
通過配置集成在 Texas Instruments MSP430FR2355 MCU 中的模擬元件，開發(fā)人員通常只需添加幾個無源元件，即可實現(xiàn)這些設(shè)計所需的信號鏈功能。
