基于最新精密模拟微控制器&电子化学传感器打造智能环境监测应用

现实世界中越来越多使用化学分析仪器进行测试和测量，从而为人类造福。这包括诸如环境空气和水质监测、为提高食品质量而进行的材料和产品分析，以及石油和地球物理探勘、深海科学探索等应用。

实施这些技术的分析方法应根据样本类型和测量特性进行选择，具体包括光谱学、光谱测定法和电化学法等，准确、高可信度的检测、识别和特性鉴定取决于精确感应能力和电子产品，其中高性能信号链、传感器、电源和处理器解决方案能确保检测极限和精度不会受到电子产品设计的制约。本文将结合全球高性能模拟技术提供商ADI最新发布的高性能模拟前端芯片ADuCM355，谈谈气体与水质检测等应用。

ADuCM355 精密模拟微控制器。

电化学和生物传感器的“最佳搭档”——ADuCM355

ADuCM355是ADI在一年前发布的一款最新片内系统，可控制和测量电化学传感器和生物传感器，是一款基于Arm® Cortex™-M3处理器的超低功耗、混合信号微控制器，具有的电流、电压和阻抗测量功能特别适合电化学传感器和生物传感器信号采集测量和控制。

ADuCM355内置集成输入缓冲器的16位、400 kSPS多通道逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器、抗混叠滤波器(AAF)和可编程增益放大器(PGA)。电流输入包括三个具有可编程增益的跨导放大器(TIA)和用于测量不同传感器类型的负载电阻。模拟前端还包含两个专门针对恒电势器能力而设计的低功耗放大器，使外部电化学传感器保持恒定的偏置电压。这两个放大器的同相输入由片内双通道输出数模转换器(DAC)进行控制。模拟输出包括高速DAC和用于产生交流信号的输出放大器。

基于ADuCM355的电化学有毒气体监测应用电路原理图。

ADC的转换速率最高可达400 kSPS，且具有−0.9 V至+0.9 V输入范围。ADC前面的输入复用器允许用户选择输入通道进行测量。这些输入通道包括三个外部电流输入、多个外部电压输入和内部通道。利用内部通道，可对内部电源电压、裸片温度和基准电压源进行诊断测量。

该混合信号微控制器集成了三个电压DAC中有两个是双通道输出、12位电阻串DAC。每个DAC的一个输出可控制恒电势器放大器的同相输入，另一个控制TIA的同相输入。第三个DAC（有时被称为高速DAC）针对用于阻抗测量的高功率TIA而设计。此DAC的输出频率范围高达200 kHz。

作为可实现新一代智能电子化学传感器的新型传感器接口IC，ADuCM355带有生物传感器和化学传感器接口，是目前能够在单个芯片上同时实现恒电位仪和电化学阻抗频谱分析仪(EIS)功能的唯一解决方案，是工业气体检测、仪器仪表、生命体征监测和疾病管理等应用的理想解决方案。

基于ADuCM355打造全面的监测应用

随着全球环保意识的空前高涨，特别是中国政府对环境监测和保护的决心增强，换将监测产业迎来发展良机，其中空气监测、水质监测、土壤监测的市场机会猛然增加。此外，食物安全和健康产业相关的监测应用也日益显著增长。ADuCM355凭借其独特的传感器接口功能和片上配置资源，特别瞄准了气体探测、食品质量监测、环境检测（空气、水和土壤），以及血糖仪、生命科学和生物感测分析和生物阻抗测量等应用。

ADI公司在2018国际电子展览会上展出的基于ADuCM355的气体监测演示模板。

ADI公司在2018国际电子展览会上展出的基于ADuCM355用于电化学气体感测的新款全集成信号链解决方案。如上图所示。展示ADuCM355的气体检测功能，该参考设计与Arduino兼容，可以测量多达4个电化学传感器。在展示现场设置检测两种气体，分别是氧气和一氧化碳，通过采用一氧化碳探测器喷雾器进行传感器激发，可以在屏幕上直接观察到灵敏准确的结果。

作为一款非常适合电化学气体检测应用的单芯片解决方案，借助ADuCM355能够快速制作出气体检测解决方案原型，其集成了两个稳压器D/A和A/D转换器，以及Cortex-M3微控制器，它还配有阻抗光谱引擎，可以对电化学传感器执行板载诊断，有助于延长传感器的使用寿命并检测其运行状况。该器件集成了行业最先进的传感器诊断技术，具有卓越的低噪声和低功耗性能，并且尺寸最小。传统的分立式解决方案往往具有一些局限性，并且需要多个IC才能实现类似性能，相比之下，ADI的新型微控制器平台能够提供更高的可靠性和极大灵活性，并且可以显著节约成本。

Honeywell 工业安全便携气体检测仪

现场还展示了一款Honeywell 工业安全便携气体检测部开发的气体监测便携产品，该产品独特地结合了实现新一代便携式气体检测器所需的高性能、超低功耗、小尺寸和先进的特性组合，利用ADuCM355这个平台解决方案实现了可靠气体检测的新标准本。

事实上，这款精密模拟微控制器还同时适用于仪器仪表和生命体征监测，例如荷兰恒电位仪的生产商Palmsens就是一家致力于为客户打造更简单、更易携带和使用的电子化学产品，该公司发布的EmStatPico是全球最小的通用电子化学接口模块，即以ADuCM355 为核心打造的一套完整的硬件和软件设计平台，可实现分钟级测量，非常适合便携式、可穿戴式和空间受限的传感器应用的开发。