如何通過(guò)ADC實(shí)現(xiàn)功能安全

功能安全是諸多行業(yè)整體安全策略的一部分，其目的是將對(duì)人或作業(yè)設(shè)備造成傷害的概率降至可接受的范圍以?xún)?nèi)。近年來(lái)，人們對(duì)系統(tǒng)功能安全的要求顯著增長(zhǎng)。從核電站到醫(yī)療設(shè)備，無(wú)故障系統(tǒng)已成為部分應(yīng)用的理想選擇，也是其他應(yīng)用的必備條件。例如，在傳感領(lǐng)域，獲取的數(shù)據(jù)如果不正確或遭到損壞，結(jié)果可能具有破壞性，甚至可能致命，具體取決于系統(tǒng)和所涉及的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

傳統(tǒng)上，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員有責(zé)任將診斷和故障預(yù)防機(jī)制集成到其產(chǎn)品當(dāng)中，確保來(lái)自傳感IC的數(shù)據(jù)的完整性。但其代價(jià)是會(huì)增加PCB面積、物料成本和處理開(kāi)銷(xiāo)，最終會(huì)導(dǎo)致費(fèi)用增加。從那時(shí)起，通過(guò)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的廣泛合作，人們開(kāi)發(fā)出了一種解決方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。為此，人們已經(jīng)開(kāi)始在IC級(jí)設(shè)計(jì)中考慮功能安全特性。

本文旨在從確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體完整性的角度，探討通過(guò)ADC實(shí)現(xiàn)功能安全的潛力。

傳統(tǒng)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(gè)多年以前的功能安全系統(tǒng)，我們將它與更現(xiàn)代的解決方案進(jìn)行比較。其核心是數(shù)據(jù)采集ADC，它負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換模擬輸入并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">微控制器。然而，要實(shí)現(xiàn)這一解決方案，需要采用許多外部元件，重復(fù)執(zhí)行SPI事務(wù)，甚至需要一個(gè)冗余ADC，結(jié)果極大地增加了物料成本、PCB面積、處理開(kāi)銷(xiāo)和成本。同時(shí)還會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)，比如，增加開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低可靠性等。

有一種單IC解決方案，只需極少的外部元件即可運(yùn)行功能安全特性。

圖1.從多組件功能安全系統(tǒng)到單芯片ADI解決方案的集成。

具有功能安全要求的示例系統(tǒng)

在包含ADC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可能發(fā)生多種故障，根據(jù)具體的應(yīng)用，這些故障可能會(huì)增加人或機(jī)器的健康風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須區(qū)分可接受的風(fēng)險(xiǎn)和不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2.識(shí)別壓力傳感器系統(tǒng)中的潛在故障源。

例如，在氣室壓力測(cè)量和調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，如果罐內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)。然而，如果微控制器接收到錯(cuò)誤的ADC數(shù)據(jù)，結(jié)果可能導(dǎo)致致命的事故，腔室中的壓力可能導(dǎo)致內(nèi)爆或外爆，這兩種情況都有可能導(dǎo)致附近的人受傷或死亡。這種風(fēng)險(xiǎn)水平是不可接受的。因此，必須實(shí)施一些功能安全措施，確保控制器接收的信息的完整性。

可能導(dǎo)致這類(lèi)錯(cuò)誤的一些故障源為

?電源：電源電壓低，低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器的輸出電壓低。

?模擬前端(AFE)：傳感器受損，或放大器驅(qū)動(dòng)到ADC的電壓不正確。

?數(shù)字邏輯：數(shù)字域中發(fā)生可能影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的誤碼。例如，工廠增益或偏移調(diào)整系數(shù)。

?SPI傳輸：由于傳輸線環(huán)境嘈雜，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳輸和命令的接收中存在誤碼。

?環(huán)境：超出IC的額定環(huán)境溫度。

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

用ADC診斷系統(tǒng)錯(cuò)誤

借助ADI公司的ADC功能安全產(chǎn)品組合，用戶(hù)可以用ADC幫助診斷和/或減少系統(tǒng)錯(cuò)誤。這種系統(tǒng)誤差測(cè)量能力對(duì)于保持精確測(cè)量極為重要，并且在具有功能安全要求的系統(tǒng)中，這種準(zhǔn)確性甚至更加重要。

從參考輸入獲取的正負(fù)滿(mǎn)量程電壓用于測(cè)量系統(tǒng)的增益誤差。通過(guò)零電平內(nèi)部短路測(cè)量失調(diào)誤差。然后，用戶(hù)可以使用ADC的增益和失調(diào)調(diào)整寄存器來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的失調(diào)和增益誤差性能。

溫度傳感器識(shí)別IC局部溫度的變化，包括超范圍溫度。在對(duì)失調(diào)和增益誤差溫度漂移敏感的系統(tǒng)中，這可能是一項(xiàng)具有吸引力的功能。如果溫度變化較大，用戶(hù)可能會(huì)決定在該新溫度下調(diào)整增益和失調(diào)誤差。圖3說(shuō)明了如何在AD7768-1內(nèi)部將模擬診斷多路復(fù)用器連接到ADC。

圖3.模擬診斷多路復(fù)用器轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

診斷錯(cuò)誤標(biāo)志：寄存器映射診斷狀態(tài)指示器

可以使能多個(gè)診斷特性，并且通?？梢酝ㄟ^(guò)寄存器映射將其狀態(tài)告知用戶(hù)。發(fā)生故障時(shí)，會(huì)在寄存器中設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志。用戶(hù)可以在收到故障警報(bào)后進(jìn)一步調(diào)查。

接下來(lái)，我們探討可能發(fā)生并且可以通過(guò)ADI功能安全ADC產(chǎn)品組合進(jìn)行診斷的一些真實(shí)故障。我們首先假設(shè)，我們的壓力傳感器系統(tǒng)裝在一個(gè)工廠里，其工作溫度波動(dòng)不定，由于基本維護(hù)工作而多次停電，并且周?chē)?a target="_blank">工業(yè)環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)有可能被傳導(dǎo)至系統(tǒng)PCB上。

ADC電源錯(cuò)誤

我們假設(shè)，由于工作環(huán)境溫度高，并且系統(tǒng)功率循環(huán)會(huì)引起電流沖擊，所以，負(fù)責(zé)ADC的LDO電源輸出的LDO電容已經(jīng)磨損和損壞。使這些輸出維持在已知電壓，需要采用一個(gè)外部電容，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)正常工作至關(guān)重要。如果電容器因該故障損壞，用戶(hù)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換后的ADC數(shù)據(jù)或其他功能的性能會(huì)出乎意料。通過(guò)使能LDO監(jiān)視器，一旦電壓電平降至某個(gè)跳變點(diǎn)以下，系統(tǒng)會(huì)設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志以提醒用戶(hù)LDO輸出的問(wèn)題。

模擬前端錯(cuò)誤

我們假設(shè)，在該系統(tǒng)中，ADC的輸入不得超過(guò)ADC的滿(mǎn)量程范圍。如果用戶(hù)意外地將不正確的值編程到增益寄存器，導(dǎo)致ADC看到的電壓大于滿(mǎn)量程范圍，結(jié)果就會(huì)極大地影響系統(tǒng)的增益誤差性能，我們應(yīng)該將此視為一種嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。但是，濾波器飽和錯(cuò)誤檢查器監(jiān)視ADC輸出，會(huì)提醒用戶(hù)注意超出范圍的模擬輸入。

數(shù)字邏輯隨機(jī)誤碼

在數(shù)字邏輯和存儲(chǔ)器模塊中偶爾會(huì)發(fā)生隨機(jī)誤碼。在我們的示例壓力系統(tǒng)中，我們假定，在上電期間加載默認(rèn)出廠失調(diào)設(shè)置時(shí)發(fā)生了一個(gè)誤碼。這是一種無(wú)法容忍的故障，因?yàn)樗鼤?huì)擾亂系統(tǒng)的默認(rèn)失調(diào)誤差，影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。在ADI功能安全ADC系列產(chǎn)品中，有一些功能可以定期在各種存儲(chǔ)器模塊上運(yùn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，并在發(fā)生誤碼時(shí)向用戶(hù)指示故障。通過(guò)重置系統(tǒng)可以解決所有這些故障。

SPI傳輸錯(cuò)誤

每個(gè)沿介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生一些誤碼。

可以估算每個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)這種情況的速率，我們將其稱(chēng)為誤碼率(BER)。

在我們的示例壓力系統(tǒng)中，可以假設(shè)BER小于10-7，通過(guò)數(shù)字隔離傳輸?shù)酵籔CB上的微控制器，傳輸距離為10厘米。

我們假設(shè)，部分電磁干擾被傳導(dǎo)到SPI線路上，結(jié)果導(dǎo)致從AD7768-1到微控制器的轉(zhuǎn)換ADC數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)誤碼。如果掩蓋了氣室中任何正在積聚的壓力，ADC數(shù)據(jù)中的誤碼可能造成極大的破壞性。通過(guò)在發(fā)送數(shù)據(jù)的末尾附加CRC，用戶(hù)可以識(shí)別傳輸期間是否發(fā)生了誤碼，并且可以重新檢查ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果。

外部主時(shí)鐘錯(cuò)誤

如果用戶(hù)需要在壓力傳感器應(yīng)用中拒絕主電源的頻率(50 Hz / 60 Hz)，那么精確的低抖動(dòng)外部主時(shí)鐘源對(duì)于將數(shù)字濾波器陷波與正確的頻率對(duì)齊至關(guān)重要。如果源斷開(kāi)、破損或損壞，結(jié)果會(huì)成為一個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)橹麟娫吹哪承╊l率成分可能在轉(zhuǎn)換后的ADC數(shù)據(jù)中可見(jiàn)。

如果外部時(shí)鐘源未成功連接或已被移除，則外部時(shí)鐘認(rèn)定器可向用戶(hù)指示錯(cuò)誤。然后，用戶(hù)可以使用內(nèi)部RC振蕩器執(zhí)行緊急轉(zhuǎn)換，同時(shí)在外部主時(shí)鐘源上執(zhí)行基本維護(hù)。

POR標(biāo)志

系統(tǒng)上電或成功復(fù)位后，ADC中的POR標(biāo)志將置1。

但如果發(fā)生意外復(fù)位，用戶(hù)可能會(huì)在ADC數(shù)據(jù)中看到意外結(jié)果。他們可以通過(guò)檢查POR標(biāo)志來(lái)識(shí)別這種意外復(fù)位。

圖4顯示了AD7768-1中有多少這些內(nèi)部診斷特性與它們要監(jiān)控的功能相關(guān)聯(lián)。

圖4.AD7768-1的內(nèi)部診斷監(jiān)視器。

基于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(shí)現(xiàn)以下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用戶(hù)可以啟動(dòng)器件并使能以下功能安全特性：

?SPI完整性監(jiān)視器

?LDO調(diào)節(jié)器輸出電平監(jiān)控

?濾波器飽和度監(jiān)視器

?外部時(shí)鐘認(rèn)定器

?內(nèi)部邏輯和存儲(chǔ)器CRC監(jiān)視器

可以使用內(nèi)部模擬診斷多路復(fù)用器驗(yàn)證系統(tǒng)校準(zhǔn)。LDO調(diào)節(jié)器輸出也可以通過(guò)這種方式進(jìn)行驗(yàn)證。

接下來(lái)，用戶(hù)可以使能這些功能，將8位狀態(tài)字節(jié)附加到24位數(shù)據(jù)流和8位SPI CRC字的末尾?；?位命令字、24位數(shù)據(jù)流和8位狀態(tài)字計(jì)算8位CRC。如果用戶(hù)關(guān)注處理開(kāi)銷(xiāo)量，可以使能連續(xù)回讀模式，這樣就無(wú)需提供8位命令。相反，用戶(hù)可以在為器件提供串行時(shí)鐘時(shí)輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，如圖6所示。

這樣即可實(shí)現(xiàn)一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其增益和失調(diào)誤差已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，每次回讀ADC數(shù)據(jù)時(shí)都會(huì)向用戶(hù)提供診斷信息。

連續(xù)監(jiān)視LDO調(diào)節(jié)器輸出、模擬前端輸入、內(nèi)部數(shù)字邏輯和存儲(chǔ)器。用戶(hù)可以確定SPI通信的完整性，確保IC溫度已知。

結(jié)論

許多行業(yè)對(duì)功能安全的要求不斷提高，對(duì)于對(duì)這些要求起到支撐作用的技術(shù)的要求也要相應(yīng)提高。ADI公司將在我們的產(chǎn)品組合范圍內(nèi)繼續(xù)開(kāi)發(fā)這種技術(shù)，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)功能安全理想。

AD7768-1可以大幅減輕客戶(hù)的負(fù)擔(dān)，并且該解決方案更緊湊、更簡(jiǎn)單，還能降低處理開(kāi)銷(xiāo)，滿(mǎn)足所需解決方案對(duì)物料成本的要求。這種單一組件模式還可以減輕系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的負(fù)擔(dān)，幫助他們?nèi)〉迷O(shè)計(jì)安全完整性等級(jí)(SIL)認(rèn)證。

圖5.在連續(xù)回讀模式下，使用AD7768-1的附加狀態(tài)字節(jié)和CRC字節(jié)讀回?cái)?shù)據(jù)寄存器。

Chris Norris

Chris Norris [christopher.norris@analog.com]是愛(ài)爾蘭利默里克市ADI公司的ADC設(shè)計(jì)評(píng)估工程師。他于2012年獲得沃特福德理工學(xué)院電子工程理學(xué)學(xué)士學(xué)位，并于同年加入ADI公司。