掌控系统功能安全，单IC解决方案完美应对“成本”和“故障”双挑战

还记得2019年3月发生的那起空难事件吗?埃塞俄比亚航空公司一架编号为ET302的航班从亚的斯亚贝巴起飞，在起飞6分钟后就失去联系并坠毁，机上149名乘客8名机组人员共计157人全部遇难。此后，事故的调查结果表示：这起事故是智能化系统功能错误导致的飞机失控，属功能安全事故。

所谓功能安全就是当安全相关系统发生故障或者错误，不会导致安全机制的失效，从而避免人身和财产的损失。随着自动化技术的普及，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。在传感领域更是如此，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。于是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的数据的完整性成为了产品设计的必要步骤。不过随之而来的是PCB面积、物料成本和处理开销增加导致的成本高昂等一系列问题。对此，全球领先的高性能模拟技术解决方案提供商ADI提出通过高性能、高精准度的ADC实现功能安全的解决思路。

突破传统瓶颈，ADI单IC解决方案降本增效

早在多年前，以数据采集ADC为核心的功能安全系统就已经被推出了，其负责转换模拟输入并将数据传输到微控制器。然而，这种多组件功能安全系统采用许多外部元件，重复执行SPI事务，甚至需要一个冗余ADC，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。

此外，在传统的以ADC为核心的数据采集系统中，可能发生多种故障。例如：

·ADC电源错误：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。

对此ADI推出了一种单IC解决方案，只需极少的外部元件即可运行功能安全特性，其中一款就是低功率、高性能Σ-Δ模数转换器AD7768-1，实现了许多内部错误检测器，这样可以简化功能安全系统的设计，使整体复杂度低于其他解决方案。它是ADI公司功能安全产品组合中的Σ-ΔADC之一，其具有一个Σ-Δ调制器和数字滤波器，可实现AC和DC信号的精确转换。AD7768-1是AD7768的单通道版本，在AC和DC综合性能方面建立了全新的行业标准，并使仪器仪表和工业系统设计人员能够针对隔离式和非隔离式应用跨多个测量变量进行设计。

多组件功能安全系统VS ADI单芯片集成

六大数据采集系统故障源，ADI这样破!

借助基于AD7768-1的ADC功能安全产品组合，可以使能多个诊断特性，赋予用户误码检测和诊断以及其他能力，通过寄存器映射将其状态告知用户。发生故障时，在寄存器中设置错误标志，这样可以降低故障发生几率，帮助用户诊断和减少系统错误。例如：

ADC电源错误

当工作环境温度高，系统功率循环引起电流冲击，那么负责ADC的LDO电源输出的LDO电容将会磨损和损坏，转换后的ADC数据或其他功能的性能会出乎意料。不过AD7768-1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

如果用户意外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，这是一种极为严重的风险。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

如果在上电期间加载默认出厂失调设置时发生了一个误码，它会扰乱系统的默认失调误差，影响转换结果。在基于AD7768-1的ADC功能安全产品中，有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。

SPI传输错误

当电磁干扰被传导到SPI线路上，会导致转换ADC数据传输中出现误码。如果压力室中，ADC数据的误码可能造成极大的破坏性。不过可以通过在发送数据的末尾附加CRC，用户能够识别传输期间是否发生了误码，并且可以重新检查ADC转换结果。

外部主时钟错误

如果用户需要在压力传感器应用中拒绝主电源的频率(50Hz/60Hz)，那么精确的低抖动外部主时钟源对于将数字滤波器陷波与正确的频率对齐至关重要。如果源断开、破损或损坏，结果会成为一个大问题，因为主电源的某些频率成分可能在转换后的ADC数据中可见。如果外部时钟源未成功连接或已被移除，则外部时钟认定器可向用户指示错误。然后，用户可以使用内部RC振荡器执行紧急转换，同时在外部主时钟源上执行基本维护。

POR标志

系统上电或成功复位后，ADC中的POR标志将置1。但如果发生意外复位，用户可能会在ADC数据中看到意外结果。他们可以通过检查POR标志来识别这种意外复位。

AD7768-1的内部诊断监视器。

结语

许多行业对功能安全的要求不断提高，为保证功能安全，提高系统/模块监视和诊断覆盖率，以降低未检出错误的数学概率是必不可少的。不过提高覆盖率的较简单方法是增加冗余，但这会给系统带来多方面的不利影响，尤其是成本。AD7768-1可以大幅减轻客户的负担，并且更紧凑、更简单，满足所需解决方案对物料成本的要求。这种单一组件模式还可以减轻系统设计师的负担，帮助他们取得设计安全完整性等级(SIL)认证。