許多針對(duì)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的設(shè)計(jì)都依靠模擬電路，以便滿足應(yīng)用對(duì)傳感器和致動(dòng)器的信號(hào)調(diào)節(jié)、電流控制和其他功能的獨(dú)特要求。雖然專用的信號(hào)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(jì)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(shí)現(xiàn)這一功能。

為滿足這一需求，微控制器應(yīng)運(yùn)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(jiǎn)化傳感器和致動(dòng)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(jì)所需的信號(hào)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(hào)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(duì)前端模擬信號(hào)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(jì)通常需要一個(gè)或兩個(gè)放大器來調(diào)節(jié)變送器的輸出信號(hào)，然后才能到達(dá)微控制器的 ADC 輸入。諸如用于心率監(jiān)測(cè)的脈搏血氧計(jì)等較復(fù)雜器件需要多個(gè)信號(hào)鏈，才能產(chǎn)生 LED 激勵(lì)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(jiǎn)單電流環(huán)路，也需要其他設(shè)備來驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)，一般只需添加幾個(gè)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(jí)功能，這意味著，開發(fā)人員需要在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)路徑（如此圖中脈搏血氧計(jì)的路徑）時(shí)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(jì)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(chǔ)器 (FRAM)。FRAM 非常適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有閃存的非易失性存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)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(yùn)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(jì)中典型的低功耗要求。

除了低功耗特性外，MSP430FR2355 還可通過幾個(gè)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(gè)片上電壓基準(zhǔn)。MSP430FR2355 MCU 的最獨(dú)特模擬功能是它的四個(gè)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(gè) SAC 模塊均包括一個(gè) 12 位 DAC、一個(gè)軌至軌運(yùn)算放大器 (OA) 和一個(gè)可將 OA 轉(zhuǎn)變?yōu)榭删幊淘鲆娣糯笃?(PGA) 的反饋電阻梯。每個(gè)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(jiǎn)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(gè)外部源、DAC 輸出或成對(duì)的 SAC 源（如下所述）。

TI 公司的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)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(hào)調(diào)節(jié)放大器，從而減少零件數(shù)量，縮小設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)通用放大器，開發(fā)人員只需調(diào)用幾次 Texas Instruments 驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，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(gè)智能模擬組合 (SAC) 模塊的其中一個(gè)，通過 Texas Instruments MSP430FR2355 MCU 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算放大器來取代外部運(yùn)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(shí)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(qiáng) OA 的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，緩沖模式 (01b) 對(duì)應(yīng)于浮動(dòng)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(yùn)算放大器元件，實(shí)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(jí)

在許多情況下，開發(fā)人員需要使用多個(gè)放大器構(gòu)建的信號(hào)條件或輸出鏈。例如，傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常可級(jí)聯(lián)放大器，以緩沖變送器輸出，并放大緩沖信號(hào)，從而與位于信號(hào)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(jí)聯(lián)放大器來生成波形，并控制柵極驅(qū)動(dòng)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(hào)電壓。通過將第二個(gè) SAC 模塊配置為 OA 模式，可以使用外部晶體管將信號(hào)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(gè)配置為 DAC 模式的 SAC 模塊來生成調(diào)制信號(hào)電壓，然后使用第二個(gè)配置為 OA 模式的 SAC 模塊來驅(qū)動(dòng)晶體管，從而產(chǎn)生環(huán)路電流 I_LOOP (I₁ + I₂)。（圖片來源：Texas Instruments）

MSP430FR2355 MCU 為級(jí)聯(lián)放大器提供了更高效的方法。對(duì)于不需要其他外部元件的設(shè)計(jì)，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(duì)：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(jìn)一步進(jìn)行轉(zhuǎn)換的煙霧探測(cè)器。開發(fā)人員只需幾行代碼，即可通過一對(duì) SAC 模塊來實(shí)現(xiàn)這一信號(hào)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(duì)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(duì) 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(duì) SAC 模塊，并規(guī)定下游級(jí)的輸入端需將成對(duì) OA 用作其來源 (SAC_OA_POSITIVE_INPUT_SOURCE_PAIR_OA)，即可創(chuàng)建一個(gè)兩級(jí)信號(hào)鏈。（代碼來源：Texas Instruments）

圖 5：通過配置 MSP430FR2355 MCU 的成對(duì) SAC 模塊，實(shí)現(xiàn)典型煙霧探測(cè)器輸入信號(hào)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(cè)器設(shè)計(jì)中對(duì)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(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)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(jì)（如圖 1 所示的脈搏血氧計(jì)）簡(jiǎn)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(jì)人員只需 MCU 即可實(shí)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(gè)輸出激勵(lì)源和多級(jí)輸入信號(hào)鏈的脈搏血氧計(jì)等設(shè)計(jì)中，大幅減少零件的數(shù)量。（圖片來源：Texas Instruments）

要評(píng)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(jì)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(jiǎn)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。

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結(jié)論

任何與現(xiàn)實(shí)世界交互的器件一般都需要模擬接口。然而，在針對(duì)可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的許多設(shè)計(jì)中，構(gòu)建這些接口所需的附加設(shè)備與更緊湊設(shè)計(jì)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(gè)無源元件，即可實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)所需的信號(hào)鏈功能。