物联网 (IoT) 传感器背板推动了将多个传感器输入关联到单个节点的需求，以限度地减少无线网关上的工作负载并实现不显眼且具有成本效益的外形尺寸解决方案。这些也是工业 4.0 要求定义的需求，在工业 4.0 要求中，智能网络传感器被要求在工业工厂环境中提供全自动控制环境，并考虑多个传感参数。这些参数包括温度、压力、流量、位置等。还要求传感器背板支持 PHY 层接口到有线通信协议，从而限度地减少系统组件的数量。

这种双峰性要求节点接口管理各种输入和输出信号，从而管理不同的信号调节解决方案。在本文中，我们讨论了将可配置模拟架构集成到 16 位微控制器 (MCU) 中的好处，该架构可满足各种传感器节点的信号调节要求。模块化模拟架构可通过寄存器设置进行配置，并支持跨不同模拟模块和通过微控制器进行额外数据处理的动态接口。根据许多物联网和工业 4.0 传感器背板的要求，提供了几个由可配置传感器接口启用的信号调理电路示例，并将实际电路结果与信号转换的相应 SPICE 仿真进行了比较。

嵌入式灵活模拟架构的优势 
模拟前端为构成物联网和工业 4.0 传感器背板的终端节点解决方案提供了现实世界信号和微控制器之间的桥梁。信号调理实现将连续时域信号转换为可由嵌入式 MCU 处理的数字比特流，以提供传感器输出参数的实时校准和后续信号调理，或作用于周围的世界——在此情况下，以数模转换器 (DAC) 的形式出现。

可配置模拟架构的数字控制模拟模块执行关键信号转换，以确保系统内的信号兼容性。可能需要模拟传感器前端来放大信号，使其符合模数转换 (ADC) 数据转换器规范中的范围。它还可以提供传感器输出电流信号到相应电压信号的转换，以便它可以进一步转换到数字域。此外，信号调理电路必须管理大多数电阻桥电路中常用的差分电压信号的放大。，传感器的输出响应可能会引入干扰主要信号响应的高频或低频噪声。

将传感器信号调理集成到微控制器中可提供更好的系统功耗，因为功能分布在单个芯片中。这也转化为更高的吞吐量，更快的系统切换时间和更低的系统噪声。从本质上讲，这些混合信号设计还将导致简化系统设计，并预先验证组件集成的各个方面。通过基于规范的功能验证来验证信号和电源完整性是否符合设备规范。这允许系统设计人员加快设计过程，因为灵活的模拟架构和 MCU 模块的功能验证是在不同的操作模式下进行的。这减轻了对电源、串扰和随机噪声（突发、闪烁，射击，热等）。设计布局经过额外优化，以确保适当的信号和电源完整性，而不会过度隔离，这会显着增加裸片尺寸。总体而言，处理多个传感器输入信号调理的单芯片解决方案可减少物料清单 (BOM) 和 PCB 板尺寸。物联网和工业 4.0 领域中的许多终端设备应用可以受益于嵌入式可配置模拟架构支持的小尺寸和低功耗解决方案。总体而言，处理多个传感器输入信号调理的单芯片解决方案可减少物料清单 (BOM) 和 PCB 板尺寸。物联网和工业 4.0 领域中的许多终端设备应用可以受益于嵌入式可配置模拟架构支持的小尺寸和低功耗解决方案。总体而言，处理多个传感器输入信号调理的单芯片解决方案可减少物料清单 (BOM) 和 PCB 板尺寸。物联网和工业 4.0 领域中的许多终端设备应用可以受益于嵌入式可配置模拟架构支持的小尺寸和低功耗解决方案。

在健康和健身应用中，佩戴在身体上的传感器可以持续监测生理和心理参数，而无需将患者或运动员拴在有线集线器上。长时间监控的需要推动了对超低功耗和低调设计的需求。在工厂设置中，集成到工业连接器本身的传感器解决方案推动了对空间非常紧凑的系统解决方案的需求。根据国际电工委员会 (IEC) 标准定义的连接器目前不要求包含传感器电子设备，但正在推动越来越小的外形尺寸，这进一步复杂化了将传感器组件集成到有线接口的能力联系。在楼宇自动化应用中，传感器端节点被要求管理多个传感器的信号调理，监测温度、湿度、光线、运动和声音等参数。这些传感器终端节点无处不在的特性推动了在单个组件节点内集成多个模块要求的需求。其中包括传感器信号调节、数据转换和组件数据处理。

可配置模拟架构 
图 1 突出显示了可配置模拟架构。在本例中，我们展示了运算放大器的框图。内部和外部连接由寄存器设置启用，寄存器设置提供灵活的架构以支持多个传感器信号调节需求。此外，这些模拟模块支持独立于中央处理器 (CPU) 的采样模式，从而提供极低功耗的系统解决方案。

点击查看大图 
图 1. 可配置模拟架构（）

这种可配置模拟架构的是通用运算放大器，它可通过软件配置以支持前面讨论的不同传感器信号调节要求。三端器件可配置为跨阻放大器 (TIA)、反相和非反相放大器、差分放大器、求和放大器以及低通和高通滤波器。使用模拟架构上的电阻阶梯，可以对运算放大器进行编程以支持多个放大器增益。此外，输入可以支持外部反馈电阻器，以提供比集成电阻梯可获得的增益更大的增益。该模块的主要特性包括单电源供电、轨到轨输出和可编程稳定时间与功耗。

可配置模拟架构中的其余模块包括 DAC、ADC 和比较器。选择 DAC 和 ADC 的分辨率位是为了实现应用要求的传感器灵敏度。这些组件的可配置性类似于运算放大器的可配置性，并通过用户可访问的寄存器设置启用。可配置的模拟架构可以设置为独立于 CPU 运行，从而实现非常节能的解决方案。模拟架构中的各个模块可以配置为支持不同的信号链解决方案，只要不同传感器的采样不必同时执行并且信号调节电路中不使用相同的模拟模块即可。内置的内部多路复用器驱动多通道输入之间的切换时间在纳秒范围内。未来的解决方案将在嵌入式控制器中整合可配置模拟架构的多个实例，从而实现同步采样。  

跨阻放大器 (TIA) 
TIA 放大器将来自电流源（通常是光电二极管）的输入电流转换为输出电压，以供模数转换器进一步处理。实现这种转换的简单方法是使用接地电阻。然而，使用这种方法可实现的增益受到电流源输入阻抗、负载阻抗和所需带宽的限制。使用运算放大器的闭环方法通常是消除这些问题的方法。基于使用外部无源元件的可配置模拟架构的典型电路如图 2 所示。

图 2. 跨阻放大器（）

在这个电路中，发生器是一个光电二极管，其作用是将光子转换成电流。该电流然后由反馈电阻器 R 2放大。将可用的 SPICE 模型用于运算放大器，获得 TIA 的频率响应和增益，如图 3 和 4 所示。TIA 电路是使用商用光电二极管和可配置模拟架构构建的。运算放大器的输出电压是通过可用的 12 位 ADC 检测的。图 5 中显示的结果对应于 ADC 的感测值。通过增加照射在光电二极管上的光量来增加光电二极管电流。测量结果与 SPICE 仿真结果非常吻合。

图 3. 跨阻放大器 SPICE 仿真频率响应。（）

图 4. 跨阻放大器 SPICE 增益响应（）

图 5. TIA 电路的测量输出响应（）

工业有线通信用压控电流源 
电流环路通信解决方案继续为工业 4.0 网络传感器背板提供可靠的接口。通信链路的物理层通常由压控电流源组成。输出响应的线性度与集成在电流环路中的传感器的感测值有关。例如，在 4-20mA 电流环路中，4 mA 传输值代表传感器的输出值，而 20 mA 代表传感器的输出值。因此，集成传感器的输出值调节电流回路中的电流。电压控制电流源可以使用可配置的模拟架构构建，如图 6 所示。在这种情况下，可配置的模拟架构既支持来自传感器接口的信号链，也支持支持到终端节点本身的通信链路的物理层。外部调制晶体管使集成解决方案无需支持 4-20 mA 有线通信环路典型的更高电压要求 (+12 V/+24 V)。

图 6. 支持传感器和 PHY 层通信信号链的可配置模拟架构（）

图 7. 电阻温度检测器 (RTD) 信号调节电路（）

图 8. 压控电流源（）

使用可配置模拟构建的实际电路如图 7 和图 8 所示。测试结果以及 SPICE 仿真如图 9 所示。在这种情况下，CPU 在两个不同的频率下运行。我们看到较高的频率导致较低 DAC 电压下的非线性。这可以通过 CPU 对数据进行额外处理来轻松处理。

图 9. 物理链路层性能（）

结论 
可配置模拟架构支持物联网和工业 4.0 应用中传感器背板的双模态要求。这种可配置的模拟架构可以在许多 MSP430? 微控制器嵌入式解决方案中找到，包括近发布的具有业界泄漏集成 TIA 的MSP430FR2311 微控制器。在单个嵌入式设备中支持多个信号链解决方案以支持通信链路的传感器输入和 PHY 层的能力提供了具有成本效益的小型系统解决方案。