數據采集系統的功能安全（一）

簡介

功能安全是諸多行業整體安全策略的一部分，其目的是將對人或作業設備造成傷害的概率降至可接受的范圍以內。近年來，人們對系統功能安全的要求顯著增長。從核電站到醫療設備，無故障系統已成為部分應用的理想選擇，也是其他應用的必備條件。例如，在傳感領域，獲取的數據如果不正確或遭到損壞，結果可能具有破壞性，甚至可能致命，具體取決于系統和所涉及的風險級別。

傳統上，系統開發人員有責任將診斷和故障預防機制集成到其產品當中，確保來自傳感IC的數據的完整性。但其代價是會增加PCB面積、物料成本和處理開銷，最終會導致費用增加。從那時起，通過與系統設計工程師的廣泛合作，人們開發出了一種解決方案來解決這個問題。為此，人們已經開始在IC級設計中考慮功能安全特性。

本文旨在從確保數據采集系統整體完整性的角度，探討通過ADC實現功能安全的潛力。

傳統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多年以前的功能安全系統，我們將它與更現代的解決方案進行比較。其核心是數據采集ADC，它負責轉換模擬輸入并將數據傳輸到微控制器。然而，要實現這一解決方案，需要采用許多外部元件，重復執行SPI事務，甚至需要一個冗余ADC，結果極大地增加了物料成本、PCB面積、處理開銷和成本。同時還會給系統設計人員帶來額外的負擔，比如，增加開發時間，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行功能安全特性。

圖1．從多組件功能安全系統到單芯片ADI解決方案的集成。

具有功能安全要求的示例系統

在包含ADC的數據采集系統中，可能發生多種故障，根據具體的應用，這些故障可能會增加人或機器的健康風險。系統設計師必須區分可接受的風險和不可接受的風險。

圖2．識別壓力傳感器系統中的潛在故障源。

例如，在氣室壓力測量和調節系統中，如果罐內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險。然而，如果微控制器接收到錯誤的ADC數據，結果可能導致致命的事故，腔室中的壓力可能導致內爆或外爆，這兩種情況都有可能導致附近的人受傷或死亡。這種風險水平是不可接受的。因此，必須實施一些功能安全措施，確保控制器接收的信息的完整性。

可能導致這類錯誤的一些故障源為

電源：電源電壓低，低壓差（LDO）調節器的輸出電壓低。

模擬前端（AFE）：傳感器受損，或放大器驅動到ADC的電壓不正確。

數字邏輯：數字域中發生可能影響轉換結果的誤碼。例如，工廠增益或偏移調整系數。

SPI傳輸：由于傳輸線環境嘈雜，轉換數據的傳輸和命令的接收中存在誤碼。

環境：超出IC的額定環境溫度。

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

用ADC診斷系統錯誤

借助ADI公司的ADC功能安全產品組合，用戶可以用ADC幫助診斷和／或減少系統錯誤。這種系統誤差測量能力對于保持精確測量極為重要，并且在具有功能安全要求的系統中，這種準確性甚至更加重要。

從參考輸入獲取的正負滿量程電壓用于測量系統的增益誤差。通過零電平內部短路測量失調誤差。然后，用戶可以使用ADC的增益和失調調整寄存器來調整系統的失調和增益誤差性能。

溫度傳感器識別IC局部溫度的變化，包括超范圍溫度。在對失調和增益誤差溫度漂移敏感的系統中，這可能是一項具有吸引力的功能。如果溫度變化較大，用戶可能會決定在該新溫度下調整增益和失調誤差。圖3說明了如何在AD7768－1內部將模擬診斷多路復用器連接到ADC。

圖3．模擬診斷多路復用器轉換開關。

診斷錯誤標志：寄存器映射診斷狀態指示器

可以使能多個診斷特性，并且通常可以通過寄存器映射將其狀態告知用戶。發生故障時，會在寄存器中設置錯誤標志。用戶可以在收到故障警報后進一步調查。

接下來，我們探討可能發生并且可以通過ADI功能安全ADC產品組合進行診斷的一些真實故障。我們首先假設，我們的壓力傳感器系統裝在一個工廠里，其工作溫度波動不定，由于基本維護工作而多次停電，并且周圍工業環境產生的電磁干擾（EMI）有可能被傳導至系統PCB上。

ADC電源錯誤

我們假設，由于工作環境溫度高，并且系統功率循環會引起電流沖擊，所以，負責ADC的LDO電源輸出的LDO電容已經磨損和損壞。使這些輸出維持在已知電壓，需要采用一個外部電容，這對于整個系統正常工作至關重要。如果電容器因該故障損壞，用戶可能會發現，轉換后的ADC數據或其他功能的性能會出乎意料。通過使能LDO監視器，一旦電壓電平降至某個跳變點以下，系統會設置錯誤標志以提醒用戶LDO輸出的問題。

模擬前端錯誤

我們假設，在該系統中，ADC的輸入不得超過ADC的滿量程范圍。如果用戶意外地將不正確的值編程到增益寄存器，導致ADC看到的電壓大于滿量程范圍，結果就會極大地影響系統的增益誤差性能，我們應該將此視為一種嚴重的風險。但是，濾波器飽和錯誤檢查器監視ADC輸出，會提醒用戶注意超出范圍的模擬輸入。

數字邏輯隨機誤碼

在數字邏輯和存儲器模塊中偶爾會發生隨機誤碼。在我們的示例壓力系統中，我們假定，在上電期間加載默認出廠失調設置時發生了一個誤碼。這是一種無法容忍的故障，因為它會擾亂系統的默認失調誤差，影響轉換結果。在ADI功能安全ADC系列產品中，有一些功能可以定期在各種存儲器模塊上運行循環冗余校驗（CRC），并在發生誤碼時向用戶指示故障。通過重置系統可以解決所有這些故障。