数据采集系统的功能安全

简介

功能安全是诸多行业整体安全策略的一部分，其目的是将对人或作业设备造成伤害的概率降至可接受的范围以内。近年来，人们对系统功能安全的要求显著增长。从核电站到医疗设备，无故障系统已成为部分应用的理想选择，也是其他应用的必备条件。例如，在传感领域，获取的数据如果不正确或遭到损坏，结果可能具有破坏性，甚至可能致命，具体取决于系统和所涉及的风险级别。

传统上，系统开发人员有责任将诊断和故障预防机制集成到其产品当中，确保来自传感IC的数据的完整性。但其代价是会增加PCB面积、物料成本和处理开销，最终会导致费用增加。从那时起，通过与系统设计工程师的广泛合作，人们开发出了一种解决方案来解决这个问题。为此，人们已经开始在IC级设计中考虑功能安全特性。

本文旨在从确保数据采集系统整体完整性的角度，探讨通过ADC实现功能安全的潜力。

传统的功能安全解决方案与更佳的方式

在图1中，我们看到的例子是一个多年以前的功能安全系统，我们将它与更现代的解决方案进行比较。其核心是数据采集ADC，它负责转换模拟输入并将数据传输到微控制器。然而，要实现这一解决方案，需要采用许多外部元件，重复执行SPI事务，甚至需要一个冗余ADC，结果极大地增加了物料成本、PCB面积、处理开销和成本。同时还会给系统设计人员带来额外的负担，比如，增加开发时间，降低可靠性等。

有一种单IC解决方案，只需极少的外部元件即可运行功能安全特性。

具有功能安全要求的示例系统

在包含ADC的数据采集系统中，可能发生多种故障，根据具体的应用，这些故障可能会增加人或机器的健康风险。系统设计师必须区分可接受的风险和不可接受的风险。

例如，在气室压力测量和调节系统中，如果罐内压力不能大幅偏离外部压力，则可将使用容差为5％的传感器的做法视为可接受的风险。然而，如果微控制器接收到错误的ADC数据，结果可能导致致命的事故，腔室中的压力可能导致内爆或外爆，这两种情况都有可能导致附近的人受伤或死亡。这种风险水平是不可接受的。因此，必须实施一些功能安全措施，确保控制器接收的信息的完整性。

可能导致这类错误的一些故障源为

电源：电源电压低，低压差（LDO）调节器的输出电压低。

模拟前端（AFE）：传感器受损，或放大器驱动到ADC的电压不正确。

数字逻辑：数字域中发生可能影响转换结果的误码。例如，工厂增益或偏移调整系数。

SPI传输：由于传输线环境嘈杂，转换数据的传输和命令的接收中存在误码。

环境：超出IC的额定环境温度。

AD7768－1是ADI公司功能安全产品组合中的Σ－Δ ADC之一，具有广泛的诊断特性，能赋予用户误码检测和诊断以及其他能力。图2突出显示了典型压力检测系统中的部分可能故障源。

用ADC诊断系统错误

借助ADI公司的ADC功能安全产品组合，用户可以用ADC帮助诊断和／或减少系统错误。这种系统误差测量能力对于保持精确测量极为重要，并且在具有功能安全要求的系统中，这种准确性甚至更加重要。

从参考输入获取的正负满量程电压用于测量系统的增益误差。通过零电平内部短路测量失调误差。然后，用户可以使用ADC的增益和失调调整寄存器来调整系统的失调和增益误差性能。

温度传感器识别IC局部温度的变化，包括超范围温度。在对失调和增益误差温度漂移敏感的系统中，这可能是一项具有吸引力的功能。如果温度变化较大，用户可能会决定在该新温度下调整增益和失调误差。图3说明了如何在AD7768－1内部将模拟诊断多路复用器连接到ADC。

诊断错误标志：寄存器映射诊断状态指示器

可以使能多个诊断特性，并且通常可以通过寄存器映射将其状态告知用户。发生故障时，会在寄存器中设置错误标志。用户可以在收到故障警报后进一步调查。

接下来，我们探讨可能发生并且可以通过ADI功能安全ADC产品组合进行诊断的一些真实故障。我们首先假设，我们的压力传感器系统装在一个工厂里，其工作温度波动不定，由于基本维护工作而多次停电，并且周围工业环境产生的电磁干扰（EMI）有可能被传导至系统PCB上。

ADC电源错误

我们假设，由于工作环境温度高，并且系统功率循环会引起电流冲击，所以，负责ADC的LDO电源输出的LDO电容已经磨损和损坏。使这些输出维持在已知电压，需要采用一个外部电容，这对于整个系统正常工作至关重要。如果电容器因该故障损坏，用户可能会发现，转换后的ADC数据或其他功能的性能会出乎意料。通过使能LDO监视器，一旦电压电平降至某个跳变点以下，系统会设置错误标志以提醒用户LDO输出的问题。

模拟前端错误

我们假设，在该系统中，ADC的输入不得超过ADC的满量程范围。如果用户意外地将不正确的值编程到增益寄存器，导致ADC看到的电压大于满量程范围，结果就会极大地影响系统的增益误差性能，我们应该将此视为一种严重的风险。但是，滤波器饱和错误检查器监视ADC输出，会提醒用户注意超出范围的模拟输入。

数字逻辑随机误码

在数字逻辑和存储器模块中偶尔会发生随机误码。在我们的示例压力系统中，我们假定，在上电期间加载默认出厂失调设置时发生了一个误码。这是一种无法容忍的故障，因为它会扰乱系统的默认失调误差，影响转换结果。在ADI功能安全ADC系列产品中，有一些功能可以定期在各种存储器模块上运行循环冗余校验（CRC），并在发生误码时向用户指示故障。通过重置系统可以解决所有这些故障。

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