4. 工业数据采集模拟前端设计
工业现场的信号形态差异极大：4-20mA 电流环抗干扰强、适合长距离传输；0-10V 电压信号接口简单但易受地电位差影响；RTD 阻值随温度近似线性变化，需要恒流激励；热电偶输出只有几十微伏每摄氏度，必须冷端补偿并放大。Sitara 处理器本身只提供数字接口，模拟量必须由外部 ADC 完成量化，因此模拟前端（AFE）的设计质量直接决定整机精度。本节围绕“信号调理—滤波—隔离保护—ADC 接口—噪声预算”这条链路展开，给出可落地的参数与计算示例。
一、四类信号的调理路径
4-20mA 最常用的做法是精密采样电阻 I/V 转换：选 100Ω、0.1%、25ppm/℃ 的金属膜电阻，满量程 20mA 对应 2.0V，4mA 对应 0.4V，落在 ADS8688 的 ±2.5V 或 0-5V 量程内。若采用 250Ω 电阻则得到 1-5V，但功耗升至 100mW，需注意电阻温漂引起的增益误差。采样电阻后接一级单位增益缓冲，运放选低失调、低漂移型号（如 OPA2188，Vos 25µV，漂移 0.1µV/℃），把高阻节点与 ADC 输入隔开。
0-10V 信号先经电阻分压衰减到 ADC 量程，例如 10V 经 20kΩ/10kΩ 分压得 3.33V，再经缓冲送入 ADC。分压电阻的比值精度直接决定增益误差，应选 0.1% 配对电阻，并并联 100pF 电容抑制高频。
RTD（Pt100/Pt1000）采用恒流激励，典型激励电流 1mA（Pt1000 可用 0.5mA 以降低自热）。Pt100 在 0℃ 为 100Ω，1mA 下产生 100mV，100℃ 时约 138.5Ω 对应 138.5mV，信号幅度小，需用仪表放大器（如 INA333，增益 8~16）放大到 1~2V。三线制接法可抵消引线电阻，恒流源应选低温漂基准（如 REF5025，3ppm/℃）。
热电偶输出最微弱，K 型约 41µV/℃，0~1000℃ 仅 0~41mV。必须用低噪声仪表放大器放大 100~200 倍，同时用热敏电阻或集成温度传感器（如 TMP117，±0.1℃）测量冷端温度，在软件中按多项式或查表补偿。热电偶走线要远离开关电源和数字信号，采用双绞屏蔽线并单点接地。
二、RC 滤波与抗混叠
ADC 前必须设置抗混叠滤波器。以 ADS8688 为例，其内部有 1MΩ 输入阻抗和采样保持电容，外部建议加一阶 RC：R=1kΩ、C=10nF，截止频率 fc=1/(2πRC)≈15.9kHz。若采样率 100kSPS，奈奎斯特频率 50kHz，该滤波器对 50kHz 以上信号有衰减，但对高频干扰抑制有限，可在缓冲后加二阶 Sallen-Key 低通，fc 取 1~5kHz，兼顾响应速度与噪声抑制。滤波电容应选 C0G/NP0 材质，避免容值随电压变化。
三、隔离与保护
工业现场存在共模电压、浪涌和短路风险。模拟通道通常采用数字隔离器（如 ISO7741）隔离 SPI 总线，或使用隔离放大器/隔离 ADC（如 AMC1301）实现模拟侧隔离。隔离耐压按现场等级选 2.5kVrms 或 5kVrms。保护方面，在输入端串联自恢复保险丝（如 50mA）和 TVS 管（如 SMAJ15A），并在 ADC 输入前加肖特基钳位到 0V 和 VREF，防止过压损坏。4-20mA 回路还需考虑反接保护，可加整流桥或串联二极管。
四、与 Sitara 的接口
ADS8688 是 8 通道 16 位 SAR ADC，SPI 接口，最高 1MSPS，内置 ±10V 输入范围，适合 4-20mA 和 0-10V 通道。ADS131E08 是 8 通道 24 位 ΔΣ ADC，内置 PGA，适合 RTD 和热电偶等低速高精度通道。两者均通过 SPI 与 Sitara 的 McSPI 控制器连接，Sitara 侧配置为 Master，时钟极性/相位按 ADC 时序设置（ADS8688 为 CPOL=0、CPHA=1）。数据就绪引脚 DRDY 接到 Sitara 的 GPIO 中断，触发 DMA 搬运，避免轮询占用 CPU。电源方面，ADC 的 AVDD 与 DVDD 分开供电，AVDD 用 LDO 或基准源，DVDD 与 Sitara 的 3.3V IO 共地但走线分离，模拟地与数字地单点连接。
五、通道精度与噪声预算
以 4-20mA 通道为例做预算：采样电阻 100Ω、0.1%、25ppm/℃，在 25℃ 时误差 0.1% 即 0.1mV；运放 OPA2188 失调 25µV、漂移 0.1µV/℃，温漂 25℃ 内约 2.5µV；ADS8688 的 INL ±1LSB（16 位、5V 量程下 76µV）、噪声约 0.5LSB。总误差按均方根合成：√(100²+2.5²+76²+38²)µV≈130µV，对应 20mA 满量程 2V 的 0.0065%，即约 13 位有效精度。若要求 0.1% 精度，该链路余量充足。RTD 通道因信号小，需重点控制运放噪声和基准漂移，建议用 24 位 ADC 并做多次平均。
六、关键参数与检查要点
| 环节 | 关键参数 | 典型取值 | 影响 |
|---|---|---|---|
| 4-20mA采样 | 电阻精度/温漂 | 100Ω, 0.1%, 25ppm/℃ | 增益误差与温漂 |
| 0-10V分压 | 分压比精度 | 20k/10k, 0.1% | 增益误差 |
| RTD激励 | 恒流精度/温漂 | 1mA, 3ppm/℃ | 阻值测量误差 |
| 热电偶 | 冷端补偿精度 | TMP117 ±0.1℃ | 绝对温度误差 |
| 抗混叠 | 截止频率 | 1-5kHz | 噪声与响应速度 |
| 隔离 | 耐压等级 | 2.5kVrms | 安全与共模抑制 |
| ADC接口 | SPI模式/DRDY | CPOL=0, CPHA=1 | 数据正确性 |
整条链路的设计顺序建议为：先确定信号范围与精度目标，再选 ADC 量程和分辨率，然后反推调理增益、滤波截止频率和隔离耐压，最后做噪声预算并留 2~3 倍余量。Sitara 侧只需保证 SPI 时序、中断响应和 DMA 配置正确，模拟侧的每一个电阻、电容和运放参数都会最终体现在采集数据的有效位数上。