傳統上
，係統開發人員有責任將診斷和故障預防機製集成到其產品當中，確保來自傳感IC的數據的完整性。但其代價是會增加PCB麵積
、物(wu)料(liao)成(cheng)本(ben)和(he)處(chu)理(li)開(kai)銷(xiao)，最(zui)終(zhong)會(hui)導(dao)致(zhi)費(fei)用(yong)增(zeng)加(jia)。從(cong)那(na)時(shi)起(qi)
，通(tong)過(guo)與(yu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)的(de)廣(guang)泛(fan)合(he)作(zuo)
，人(ren)們(men)開(kai)發(fa)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)來(lai)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)。為(wei)此(ci)

，人(ren)們(men)已(yi)經(jing)開(kai)始(shi)在(zai)IC級設計中考慮功能安全特性。

 

本文旨在從確保數據采集係統整體完整性的角度
，探討通過ADC實現功能安全的潛力。C級設計中考慮功能安全特性。

 

傳統的功能安全解決方案與更佳的方式

 

在圖1中，我們看到的例子是一個多年以前的功能安全係統，我們將它與更現代的解決方案進行比較。其核心是數據采集ADC
，它負責轉換模擬輸入並將數據傳輸到微控製器。然而，要實現這一解決方案，需要采用許多外部元件，重複執行SPI事務，甚至需要一個冗餘ADC，結果極大地增加了物料成本、PCB麵積

、處理開銷和成本。同時還會給係統設計人員帶來額外的負擔
，比如，增加開發時間，降低可靠性等。

 

有一種單IC解決方案，隻需極少的外部元件即可運行功能安全特性。

 

圖1.從多組件功能安全係統到單芯片ADI解決方案的集成。

 

具有功能安全要求的示例係統

 

在包含ADC的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)中(zhong)
，可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)多(duo)種(zhong)故(gu)障(zhang)，根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)的(de)應(ying)用(yong)，這(zhe)些(xie)故(gu)障(zhang)可(ke)能(neng)會(hui)增(zeng)加(jia)人(ren)或(huo)機(ji)器(qi)的(de)健(jian)康(kang)風(feng)險(xian)。係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)必(bi)須(xu)區(qu)分(fen)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)風(feng)險(xian)和(he)不(bu)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)風(feng)險(xian)。

 

例如，在氣室壓力測量和調節係統中，如果罐內壓力不能大幅偏離外部壓力
，則可將使用容差為5％的傳感器的做法視為可接受的風險。然而

，如果微控製器接收到錯誤的ADC數(shu)據(ju)，結(jie)果(guo)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)致(zhi)命(ming)的(de)事(shi)故(gu)，腔(qiang)室(shi)中(zhong)的(de)壓(ya)力(li)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)內(nei)爆(bao)或(huo)外(wai)爆(bao)，這(zhe)兩(liang)種(zhong)情(qing)況(kuang)都(dou)有(you)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)附(fu)近(jin)的(de)人(ren)受(shou)傷(shang)或(huo)死(si)亡(wang)。這(zhe)種(zhong)風(feng)險(xian)水(shui)平(ping)是(shi)不(bu)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)。因(yin)此(ci)，必(bi)須(xu)實(shi)施(shi)一(yi)些(xie)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)措(cuo)施(shi)，確(que)保(bao)控(kong)製(zhi)器(qi)接(jie)收(shou)的(de)信(xin)息(xi)的(de)完(wan)整(zheng)性(xing)。

 

可能導致這類錯誤的一些故障源為

 

● 電源：電源電壓低

，低壓差(LDO)調節器的輸出電壓低。

● 模擬前端(AFE)：傳感器受損，或放大器驅動到ADC的電壓不正確。

● 數字邏輯：數字域中發生可能影響轉換結果的誤碼。例如，工廠增益或偏移調整係數。

● SPI傳輸：由於傳輸線環境嘈雜
，轉換數據的傳輸和命令的接收中存在誤碼。

● 環境：超出IC的額定環境溫度。

 

AD7768-1是ADI公司功能安全產品組合中的Σ-Δ ADC之一，具有廣泛的診斷特性
，能賦予用戶誤碼檢測和診斷以及其他能力。圖2突出顯示了典型壓力檢測係統中的部分可能故障源。

 

圖2.識別壓力傳感器係統中的潛在故障源。

 

用ADC診斷係統錯誤

 

借助ADI公司的ADC功能安全產品組合，用戶可以用ADC幫助診斷和/或減少係統錯誤。這種係統誤差測量能力對於保持精確測量極為重要，並且在具有功能安全要求的係統中，這種準確性甚至更加重要。

 

從參考輸入獲取的正負滿量程電壓用於測量係統的增益誤差。通過零電平內部短路測量失調誤差。然後，用戶可以使用ADC的增益和失調調整寄存器來調整係統的失調和增益誤差性能。

 

溫度傳感器識別IC局ju部bu溫wen度du的de變bian化hua，包bao括kuo超chao範fan圍wei溫wen度du。在zai對dui失shi調tiao和he增zeng益yi誤wu差cha溫wen度du漂piao移yi敏min感gan的de係xi統tong中zhong，這zhe可ke能neng是shi一yi項xiang具ju有you吸xi引yin力li的de功gong能neng。如ru果guo溫wen度du變bian化hua較jiao大da
，用yong戶hu可ke能neng會hui決jue定ding在zai該gai新xin溫wen度du下xia調tiao整zheng增zeng益yi和he失shi調tiao誤wu差cha。圖tu3說明了如何在AD7768-1內部將模擬診斷多路複用器連接到ADC。

 

圖3.模擬診斷多路複用器轉換開關。

 

診斷錯誤標誌：寄存器映射診斷狀態指示器

 

可(ke)以(yi)使(shi)能(neng)多(duo)個(ge)診(zhen)斷(duan)特(te)性(xing)，並(bing)且(qie)通(tong)常(chang)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)寄(ji)存(cun)器(qi)映(ying)射(she)將(jiang)其(qi)狀(zhuang)態(tai)告(gao)知(zhi)用(yong)戶(hu)。發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)時(shi)
，會(hui)在(zai)寄(ji)存(cun)器(qi)中(zhong)設(she)置(zhi)錯(cuo)誤(wu)標(biao)誌(zhi)。用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)在(zai)收(shou)到(dao)故(gu)障(zhang)警(jing)報(bao)後(hou)進(jin)一(yi)步(bu)調(tiao)查(zha)。

 

接下來，我們探討可能發生並且可以通過ADI功能安全ADCchanpinzuhejinxingzhenduandeyixiezhenshiguzhang。womenshouxianjiashe，womendeyalichuanganqixitongzhuangzaiyigegongchangli，qigongzuowendubodongbuding，youyujibenweihugongzuoerduocitingdian，bingqiezhouweigongyehuanjingchanshengdedianciganrao(EMI)有可能被傳導至係統PCB上。

 

ADC電源錯誤

 

我們假設，由於工作環境溫度高，並且係統功率循環會引起電流衝擊

，所以

，負責ADC的LDO電源輸出的LDO電dian容rong已yi經jing磨mo損sun和he損sun壞huai。使shi這zhe些xie輸shu出chu維wei持chi在zai已yi知zhi電dian壓ya，需xu要yao采cai用yong一yi個ge外wai部bu電dian容rong，這zhe對dui於yu整zheng個ge係xi統tong正zheng常chang工gong作zuo至zhi關guan重zhong要yao。如ru果guo電dian容rong器qi因yin該gai故gu障zhang損sun壞huai，用yong戶hu可ke能neng會hui發fa現xian，轉zhuan換huan後hou的deADC數據或其他功能的性能會出乎意料。通過使能LDO監視器，一旦電壓電平降至某個跳變點以下，係統會設置錯誤標誌以提醒用戶LDO輸出的問題。

 

模擬前端錯誤

 

我們假設，在該係統中，ADC的輸入不得超過ADC的滿量程範圍。如果用戶意外地將不正確的值編程到增益寄存器
，導致ADCkandaodedianyadayumanliangchengfanwei
，jieguojiuhuijidadiyingxiangxitongdezengyiwuchaxingneng

，womenyinggaijiangcishiweiyizhongyanzhongdefengxian。danshi
，lvboqibaohecuowujianzhaqijianshiADC輸出
，會提醒用戶注意超出範圍的模擬輸入。

 

數字邏輯隨機誤碼

 

在zai數shu字zi邏luo輯ji和he存cun儲chu器qi模mo塊kuai中zhong偶ou爾er會hui發fa生sheng隨sui機ji誤wu碼ma。在zai我wo們men的de示shi例li壓ya力li係xi統tong中zhong

，我wo們men假jia定ding，在zai上shang電dian期qi間jian加jia載zai默mo認ren出chu廠chang失shi調tiao設she置zhi時shi發fa生sheng了le一yi個ge誤wu碼ma。這zhe是shi一yi種zhong無wu法fa容rong忍ren的de故gu障zhang

，因yin為wei它ta會hui擾rao亂luan係xi統tong的de默mo認ren失shi調tiao誤wu差cha
，影ying響xiang轉zhuan換huan結jie果guo。在zaiADI功能安全ADC係列產品中，有一些功能可以定期在各種存儲器模塊上運行循環冗餘校驗(CRC)

，並在發生誤碼時向用戶指示故障。通過重置係統可以解決所有這些故障。

 

SPI傳輸錯誤

 

每個沿介質傳輸數據的係統都會產生一些誤碼。

 

可以估算每個係統出現這種情況的速率，我們將其稱為誤碼率(BER)。

 

在我們的示例壓力係統中
，可以假設BER小於10-7，通過數字隔離傳輸到同一PCB上的微控製器，傳輸距離為10厘米。 我們假設，部分電磁幹擾被傳導到SPI線路上
，結果導致從AD7768-1到微控製器的轉換ADC數據傳輸中出現誤碼。如果掩蓋了氣室中任何正在積聚的壓力，ADC數據中的誤碼可能造成極大的破壞性。通過在發送數據的末尾附加CRC，用戶可以識別傳輸期間是否發生了誤碼，並且可以重新檢查ADC轉換結果。

 

外部主時鍾錯誤

 

如果用戶需要在壓力傳感器應用中拒絕主電源的頻率(50 Hz / 60 Hz)
，那麼精確的低抖動外部主時鍾源對於將數字濾波器陷波與正確的頻率對齊至關重要。如果源斷開
、破損或損壞，結果會成為一個大問題
，因為主電源的某些頻率成分可能在轉換後的ADC數據中可見。

 

如果外部時鍾源未成功連接或已被移除，則外部時鍾認定器可向用戶指示錯誤。然後，用戶可以使用內部RC振蕩器執行緊急轉換，同時在外部主時鍾源上執行基本維護。

 

POR標誌

 

係統上電或成功複位後
，ADC中的POR標誌將置1。

 

但如果發生意外複位，用戶可能會在ADC數據中看到意外結果。他們可以通過檢查POR標誌來識別這種意外複位。 圖4顯示了AD7768-1中有多少這些內部診斷特性與它們要監控的功能相關聯。

 

 

圖4.AD7768-1的內部診斷監視器。

 

基於AD7768-1的終極功能安全解決方案

 

使用AD7768-1提供的功能安全特性
，可以實現以下數據采集係統。用戶可以啟動器件並使能以下功能安全特性：

 

● SPI完整性監視器

● LDO調節器輸出電平監控

● 濾波器飽和度監視器

● 外部時鍾認定器

● 內部邏輯和存儲器CRC監視器

 

可以使用內部模擬診斷多路複用器驗證係統校準。LDO調節器輸出也可以通過這種方式進行驗證。

 

接下來，用戶可以使能這些功能，將8位狀態字節附加到24位數據流和8位SPI CRC字的末尾。基於8位命令字

、24位數據流和8位狀態字計算8位CRC。如果用戶關注處理開銷量，可以使能連續回讀模式，這樣就無需提供8位命令。相反
，用戶可以在為器件提供串行時鍾時輸出數據寄存器的內容，如圖6所示。

 

圖5.在連續回讀模式下
，使用AD7768-1的附加狀態字節和CRC字節讀回數據寄存器。

 

這樣即可實現一種數據采集係統
，其增益和失調誤差已經過驗證
，每次回讀ADC數據時都會向用戶提供診斷信息。

 

連續監視LDO調節器輸出、模擬前端輸入
、內部數字邏輯和存儲器。用戶可以確定SPI通信的完整性
，確保IC溫度已知。

 

結論

 

許多行業對功能安全的要求不斷提高
，對於對這些要求起到支撐作用的技術的要求也要相應提高。ADI公司將在我們的產品組合範圍內繼續開發這種技術，幫助係統設計師實現功能安全理想。

 

AD7768-1可以大幅減輕客戶的負擔
，並且該解決方案更緊湊、更(geng)簡(jian)單(dan)，還(hai)能(neng)降(jiang)低(di)處(chu)理(li)開(kai)銷(xiao)，滿(man)足(zu)所(suo)需(xu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)對(dui)物(wu)料(liao)成(cheng)本(ben)的(de)要(yao)求(qiu)。這(zhe)種(zhong)單(dan)一(yi)組(zu)件(jian)模(mo)式(shi)還(hai)可(ke)以(yi)減(jian)輕(qing)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)的(de)負(fu)擔(dan)，幫(bang)助(zhu)他(ta)們(men)取(qu)得(de)設(she)計(ji)安(an)全(quan)完(wan)整(zheng)性(xing)等(deng)級(ji)(SIL)認證。

 

 

推薦閱讀：