使用自我校正的類比智慧微控制器，提升 IoT 邊緣的智慧

互聯網 (IoT) 應用越趨複雜下，工業物聯網 (IIoT) 端點的設計人員也要在邊緣因應更複雜的運算作業。對端點感測器資料進行邊緣運算，是減少 IIoT 中樞瓶頸的務實做法。如此一來，不僅能降低網路流量，還能降低中樞主處理器的運算負荷。不過，這個作法也有缺點。

例如，有個常見的 IIoT 邊緣應用，是處理週期性的類比數位轉換器 (ADC) 感測器資料。對於高精確度類比資料，數百個 ADC 資料點的數學處理、解讀與內插，會給邊緣主機處理器帶來大量負荷，可能會影響到整個網路的效能。此外，高準確度 ADC 可能會要求 IoT 端點的主機微控制器韌體執行自我校正，這可能會讓所有的邊緣處理延遲，直至校正完成為止。

本文將說明開發人員如何讓 Analog Devices 的精密類比微控制器當作智慧型 ADC 周邊裝置使用。然後會說明這些類比微控制器的功能為何適合當作單晶片數據採集系統，既能輕鬆介接到 IIoT 端點微控制器，又能執行邊緣處理功能 (例如 ADC 資料點處理與自我校正)，而不會對主端點微控制器的效能產生影響。

為何要在邊緣處理類比感測器資料？

隨著 IIoT 系統越趨複雜，要處理的資料也更加複雜。以工業控制應用來說，閥門及某些馬達正從開迴路系統轉為封閉迴路系統，在這種系統中，精密類比感測器必須偵測微小的閥門和馬達位置。對於製程控制應用，更高的處理量則需要更快的生產線，且要對控制系統中的溫度、壓力和致動器有更細膩的控制。

在製程控制中，生產線 (製程) 的速度主要取決於兩個因素，即樓面上機器與系統的機械能力，以及 IIoT 網路的效率，因為 IIoT 控制著機器與系統內的感測器與致動器。在某些情況下，小小的製程改善便能促進產量提升，但這些改善可能因 IIoT 網路瓶頸而受到阻礙。在邊緣執行更多的處理，就能減少這些瓶頸。

在 IIoT 端點進行邊緣處理，對處理類比訊號特別有幫助。在 IIoT 開發的早期階段，處理類比資料可能很簡單，但擴充能力會是個問題，後續的改進可能會導致計算的複雜度增加。透過網路傳送所有的原始類比資料會增加網路流量，而且在網路中樞處理器處理全部這些資料，也會佔用寶貴的運算時間。因此，在邊緣處理類比資料，是讓網路更有效率的務實作法。

使用智慧型 ADC 在邊緣處理類比資料

在邊緣處理數以百計的 ADC 資料樣本時，IIoT 端點的主微控制器很容易不堪負荷。對於複雜的類比感測器，明智的設計做法是使用自備處理能力的外部 ADC。這不僅可大幅減輕 IIoT 端點微控制器的負荷，還能讓 ADC 更輕鬆進行自我校正。

Analog Devices 推出一系列精密的類比微控制器，能對 ADC 資料進行高效能的擷取與處理。ADuCM360BCPZ128-R7 精密類比微控制器使用 Arm® Cortex®-M3 控制兩個 24 位元三角積分 ADC (圖 1)。這些 ADC 每秒能擷取 4 千個類比感測器資料樣本 (kSPS)。另外，ADuCM360 還具有 12 位元數位類比轉換器 (DAC)，可產生自我校正用的準確電壓。此微控制器在 1.8 至 3.6 V 電壓範圍內工作，且含有內部 32 kHz 振盪器與內部 16 MHz 振盪器，能為空間受限的系統降低元件數。

圖 1：Analog Devices 的 ADuCM360 是晶片上的完整低功率數據採集系統，具有一個 Arm Cortex-M3 核心、兩個 24 位元三角積分 4 kSPS ADC，及一個 12 位元 DAC。(圖片來源：Analog Devices)

ADuCM360 具有 128 KB 的快閃記憶體和 8 KB 的 SRAM。ADuCM360 的一大優勢在於快閃記憶體位置可直接寫入，與寫入 SRAM 類似。因此韌體開發人員可輕鬆將快閃記憶體的區塊分區為程式記憶體以及 EEPROM。在數據採集系統中，這可讓 EEPROM 分區塊用來儲存 ADC 校正資料。

此快閃記憶體支援 32 位元直接抹寫 (不支援 16 位元與 8 位元的抹寫)。快閃記憶體寫入與抹除作業會耗用大量的電流，因此在電池供電應用中，能夠一次寫入 32 位元可節省大量電力。比起一次只能寫入並抹除一個區塊或一頁的快閃記憶體微控制器，這是個顯著的低功率優勢。

此快閃記憶體也支援傳統的快閃抹除指令，例如頁面抹除，以及整個快閃記憶體陣列的大規模抹除。藉由這些功能，開發人員可輕鬆編寫小常式，能根據從 IIoT 端點主機微控制器透過序列埠傳送的指令更新韌體。這點很重要，如果 ADuCM360 無法透過序列埠輕鬆更新韌體，便會嚴重限制其在數據採集系統中的靈活性，能對控制 ADC 的韌體進行更新，與 ADC 本身一樣重要。

高效率的單晶片數據採集系統

兩個 24 位元 ADC 都連接到一個輸入多工器，總共可支援 11 個單通道或 6 個差動輸入。4 個內部通道可監測內部溫度感測器和 12 位元 DAC 的輸出，還有一個內部低漂移能隙參考電壓。這些可用來執行 ADC 的自我校正。DAC 可經由編程輸出一連串電壓，可由每個 ADC 讀取。此外，ADC 可以對內部能隙參考電壓進行取樣。韌體則可處理這些讀數，因此能對 ADC 進行溫度校正，並將校正常數儲存於 EEPROM 中。

當作單晶片數據採集系統使用時，此 ADC 可經由編程，以快達 4 kSPS 的速度對類比資料進行連續採樣。11 通道的直接記憶體存取 (DMA) 控制器可將這些資料傳輸到 SRAM。隨後，韌體可套用 EEPROM 中儲存的校正常數來修改資料，並在必要時進行溫度修正。接下來，韌體可按應用需求處理資料，同時 DMA 會將額外的 ADC 資料傳輸到 SRAM。

儲存的 ADC 資料處理完畢後，該結果可傳送到序列介面，等待傳輸至 IIoT 端點微控制器，或是如果需要傳輸多個資料樣本，DMA 可將資料大量傳輸到序列介面。如此一來，高效率的數據採集系統可以一邊對一組 ADC 資料進行採樣並以 DMA 傳輸至 SRAM，一邊處理第二組 ADC 資料，並將第三組 ADC 資料以 DMA 傳輸至序列介面，所有操作均可同時進行。

類比輸入訊號可使用可編程的增益放大器 (PGA) 進行放大，並可將增益配置為 2 的次冪，支援的增益值為 2、4、8、16、32、64 和 128。這樣即可放大超小的電壓，進行更準確的 ADC 取樣。

雖然其他特點還包括一個 16 位元 6 通道脈寬調變 (PWM)、19 個一般用途 I/O (GPIO)、兩個 16 位元一般用途計時器、一個 32 位元喚醒／監控設備計時器，以及一個外部中斷系統，但務必讓應用韌體著重於支援其主要用途，也就是 ADC 擷取和資料處理。若要求 ADuCM360 執行與類比資料擷取等主要用途無關的功能，很容易導致功能延伸，進而干擾該用途，並讓韌體更新更為複雜。

超低功率功能與特性

雖然 ADuCM360 具有高階類比功能，但還是能在高效能操作下達到低功耗。在一般工作模式下，Cortex-M3 核心的耗電量只有 290 µA/MHz。在系統時脈為 0.5 MHz、兩個 ADC 都在取樣、所有計時器都在執行且 PGA 增益為 4 的情況下，從 SPI 介面進行存取時，微控制器僅耗用 1 mA。此時輸入緩衝為關閉，因為緩衝電壓儲存也會增加功耗。在休眠模式中且只有喚醒計時器在運作時，微控制器僅耗用 4 µA。因此，ADuCM361 非常適合用於電池供電的 IIoT 端點。

對於不太複雜、不需要兩個 ADC 速度的應用，Analog Devices 則提供 ADUCM361BCPZ128-R7。此產品和 ADuCM360 相同，但只有一個三角積分 24 位元 ADC (圖 2)。

圖 2：ADuCM361 是晶片上完整的數據採集系統，與 ADuCM360 類似，但只有一個 24 位元三角積分 ADC。對於不需要同時執行兩個 ADC 換取效能的應用來說，這可以節省成本與電力。(圖片來源：Analog Devices)

在一些應用中，如果不需要同時執行兩個 24 位元 ADC 來達到高效能，那麼使用 ADuCM361 就可降低系統成本與板件功耗。此單一 ADC 也是連接到輸入多工器，總共可支援 11 個單通道或 6 個差動輸入。另外也可透過 12 位元 DAC、內部能隙參考電壓和溫度感測器進行自我校正。

ADuCM361 的引腳與 ADuCM360 相容。因此，這兩種產品可以使用同一個電路板佈局。這可以簡化產品開發與物料清單 (BOM)，因為 IIoT 端點製造商可將一個 PC 板用於兩個或更多個產品。

數據採集系統的開發

針對產品開發，Analog Devices 推出了 EVAL-ADuCM360QSPZ 評估套件 (圖 3)。此評估板可介接類比感測器或外部電壓源，對 ADuCM360 和 ADuCM361 類比微控制器進行韌體開發。

圖 3：Analog Devices 的 EVAL-ADuCM360QSPZ 評估套件可用於評估 ADuCM360 和 ADuCM361 類比微控制器。此套件可直接介接外部類比感測器，並可透過 USB 連接進行管理。(圖片來源：Analog Devices)

此評估套件可透過 USB 連接埠由 Windows 主機電腦進行存取。因此，板載 ADuCM360 可使用目標韌體進行編程，以進行測試和除錯。EVAL-ADuCM360QSPZ 在 PC 板上設有 ADuCM360 的所有引腳，包括序列 I/O，因此此評估板可透過 I²C、SPI 或 UART 與主機微控制器介接，進行即時除錯。Windows 主機電腦可記錄 ADC 資料，並可對自我校正常式的準確度除錯。

結論

許多用於高階端類比應用 (例如製程控制) 的 IIoT 端點，需要對使用 ADC 擷取的類比感測器資料進行更多邊緣處理。ADC 的資料量以及邊緣處理的複雜性會讓 IIoT 端點主微控制器不堪負荷。主端點微控制器可改為透過序列埠介接可自成一套數據採集系統的類比微控制器。如此即可提升端點的效能，並減少網路流量，讓 IIoT 網路更有效率。