在全球共同應(yīng)對氣候變化及環(huán)境挑戰(zhàn)的過程中，清潔水和健康土壤等關(guān)鍵資源的獲取仍是亟待解決的重要的全球性問題。聯(lián)合國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球仍有超過40%的人口缺乏足夠的清潔、安全的飲用水和基本衛(wèi)生服務(wù)。

在步入人工智能（AI）時代后，一個不可回避的問題隨之而來：AI能否為這場水資源危機提供解決方案？隨著邊緣AI技術(shù)的興起，憑借高質(zhì)量數(shù)據(jù)支持和強大的機器學習推理引擎，實現(xiàn)實時資源質(zhì)量監(jiān)測已成為可能。AI驅(qū)動的傳感器與數(shù)據(jù)分析技術(shù)可實時監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)，并自動調(diào)控水系統(tǒng)，根據(jù)動態(tài)變化的情況優(yōu)化水資源的分配與使用?；贏I的系統(tǒng)不僅提高了運營效率，減少了水資源浪費，還促進了自適應(yīng)水資源管理。

pH值測量參數(shù)可用于水質(zhì)分析，這也是恩智浦技術(shù)賦能的一個用例。了解pH值是評估水質(zhì)或土壤質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。幾乎所有處理液體的行業(yè)都需要pH值測量系統(tǒng)。在水質(zhì)分析中，pH值尤為重要，因為它反映了水的酸堿度，對營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬等化學物質(zhì)的溶解度與生物利用度具有顯著影響。這一分析提供了關(guān)于水質(zhì)如何直接影響水生生物健康及水體整體環(huán)境質(zhì)量的寶貴洞察。

恩智浦為pH測量提供了邊緣AI就緒的解決方案，其中恩智浦模擬前端（AFE）能夠快速、準確且可靠地生成pH計數(shù)據(jù)，為利用機器學習算法實現(xiàn)實時水質(zhì)監(jiān)測提供了技術(shù)支持。

先進的水質(zhì)分析解決方案

下圖為一種用于分析水pH值和電導(dǎo)率的電路概覽圖。該應(yīng)用包含兩個電極：

1.一個是CE電極，如下圖1所示。 使用DAC生成復(fù)雜的低速波形（10Hz至100Hz）。通常情況下，需要在DAC輸出后接入功率放大器，以驅(qū)動電解液中的浮動電極。偏置電極能夠在電解液中引發(fā)化學反應(yīng)或產(chǎn)生氫離子活性。

2.另一個是RE電極（參比電極），如下面的圖1所示。參比電極具有穩(wěn)定的參考電壓，向功率放大器的反相輸入端提供偏置信號反饋。

3.下圖中的WE信號為幾微安量級電流，源于CE與RE電極之間的電勢差，這種電勢差導(dǎo)致溶液中的氫離子活性或離子運動。使用運放作為跨阻抗放大器，該電流被轉(zhuǎn)換為10mV至100mV范圍內(nèi)的電壓，供ADC進一步處理。

圖1 該電路用于水的pH值和電導(dǎo)率分析

基于邊緣AI的水電導(dǎo)率分析系統(tǒng)

●   高質(zhì)量數(shù)據(jù)支持實時監(jiān)測與預(yù)測性維護

通過使用來自pH計的高度精確且可靠的數(shù)據(jù)對機器學習推理引擎進行訓(xùn)練，可以在質(zhì)量控制與故障分析方面實現(xiàn)出色的準確性。穩(wěn)定的輸出與診斷數(shù)據(jù)不僅有助于提取必要的特征，還能通過機器學習算法分析多種水質(zhì)參數(shù)。

■   穩(wěn)定性：隨時間與溫度變化而引起的漂移是邊緣AI pH計和電導(dǎo)率計設(shè)計的關(guān)鍵注意事項。低預(yù)測性漂移能夠顯著提高監(jiān)督機器學習算法的準確性，從而更好地預(yù)測或分類未來的未知實例。

■   有效的分辨率與噪聲性能：為了充分利用傳感器的動態(tài)范圍并獲取精準讀數(shù)，信號鏈與功率設(shè)計過程中應(yīng)考慮低噪聲和高分辨率，特別是對于實驗室儀器。

■   精度：實驗室常用的pH計通常要求至少達到±0.1的pH精度，以確保在各種環(huán)境下實現(xiàn)精準測量。

■   診斷與校準：電極診斷功能在預(yù)測性維護和高質(zhì)量測量中至關(guān)重要。它提供了靈活性，有助于用戶了解電極何時需要清潔或校準。

接下來，讓我們深入探討恩智浦新推出的模擬前端（AFE）如何幫助克服pH監(jiān)測中面臨的障礙與挑戰(zhàn)。

NAFE33352依托恩智浦廣泛的多通道通用模擬輸入產(chǎn)品組合，是一款軟件可配置的通用輸入/輸出AFE，能夠滿足邊緣AI pH計應(yīng)用對高精度測量和數(shù)據(jù)處理的嚴苛需求。UIO-AFE集成了精密的14/16/18位DAC、16/24位ADC、低漂移電壓基準、低偏移漂移緩沖器以及高壓高精度放大器，并配備70V輸入保護電路，以應(yīng)對EMC和誤接線情況。此外，該器件內(nèi)置診斷與保護電路，可進行輸出、短路和斷路檢測。模擬輸入模塊還配備了先進的情況監(jiān)測與診斷電路，確保功能安全。精確的電流和電壓回讀能力支持高級異常檢測，為預(yù)測性維護提供了可靠的技術(shù)保障。

●   NAFE33352 AFE如何助力pH監(jiān)測中的高級診斷

■   穩(wěn)定的ADC和DAC數(shù)據(jù)為模式識別提供支持

◇   輸入ADC數(shù)據(jù)

在此應(yīng)用中，ADC的典型數(shù)據(jù)速率約為100ksps。NAFE33352提供卓越的噪聲性能，詳見下表。模擬輸入的UIO AFE噪聲性能取決于器件配置，包括數(shù)據(jù)速率、PGA增益、數(shù)字濾波器階數(shù)以及穩(wěn)定模式設(shè)置。其中，影響噪聲性能的兩個關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)速率和PGA增益。降低數(shù)據(jù)速率會使總噪聲按比例降低，因為數(shù)字濾波器的等效噪聲帶寬與數(shù)據(jù)速率成正比。與此同時，提高PGA增益可以減少輸入?yún)⒖荚肼暎@是因為PGA的噪聲水平低于ADC的噪聲。此外，噪聲性能還受到數(shù)字濾波器形狀的影響，較低的階數(shù)會進一步降低等效噪聲帶寬，從而改善噪聲水平。

表1 噪聲性能結(jié)果

■   輸出DAC數(shù)據(jù)

NAFE33352的DAC可用于生成此類應(yīng)用所需的復(fù)雜波形。通過SPI主機發(fā)送DAC命令CMD_WGEN，可以觸發(fā)自動DAC波形發(fā)生器。所有波形參數(shù)均可在不同的寄存器中進行編程，以實現(xiàn)所需的輸出波形。

NAFE33352集成了低漂移電壓基準和低偏移漂移緩沖器，確保在溫度變化和長時間運行中具有卓越的穩(wěn)定性。其電壓和電流輸入/輸出TUE隨溫度漂移的典型值為3ppm/°C，最大值為10ppm/°C。

這種高精度與穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)為機器學習模型的定制化數(shù)據(jù)集提供了有力支持，從而提升準確性和可靠性。高質(zhì)量數(shù)據(jù)與機器學習模型的精度息息相關(guān)，確保了算法能夠正確構(gòu)建接口。

■   智能模擬集成

NAFE33352的另一大優(yōu)勢在于模擬集成度高，有助于顯著減小此類工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的整體外形尺寸。該產(chǎn)品集成了DAC，可生成用于溶液中偏置電極的復(fù)雜波形。同時，它還配備電壓感測放大器，用于讀取該電壓并將偏置信號發(fā)送至連接DAC的功放。

通用輸入或電流感測放大器可用于讀取電化學反應(yīng)產(chǎn)生的電流，從而無需使用跨阻抗放大器。

圖2 展示模擬集成的框圖，有助于緊湊型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

■   用于預(yù)測性維護的診斷和校準

恩智浦的NAFE系列提供多種內(nèi)部診斷功能，大幅提升了硬件的容錯能力。對于pH計而言，實時且智能的傳感器診斷與管理是確保持續(xù)穩(wěn)定pH測量的關(guān)鍵。通過預(yù)測性校準，可以確定pH傳感器的校準需求和剩余使用壽命。

NAFE33352具備先進的診斷功能，支持自我狀態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)級狀態(tài)監(jiān)測。除了常規(guī)的開路與短路檢測外，它還提供低量程和超量程的輸入檢測、電源電壓范圍監(jiān)測、過熱關(guān)斷保護，以及系統(tǒng)內(nèi)各種異常情況的全局告警功能。

本部分還介紹了工廠校準系數(shù)（CAL）。該系數(shù)將在恩智浦工廠完成校準，并存儲于非易失性存儲器中。此外，用戶還可執(zhí)行端到端自校準操作。

KITNAFE33352-EVB助力加速全軟件可配置pH計的設(shè)計

KITNAFE33352-EVB是一款即將發(fā)布的評估板，用于快速評估恩智浦的模擬前端NAFE33352。該解決方案涵蓋了基于NAFE33352進行系統(tǒng)設(shè)計所需的所有關(guān)鍵組件。通過現(xiàn)成的LPC54S018 MCUXpresso SDK驅(qū)動程序以及用于評估的GUI，該板能夠顯著加快開發(fā)進程。

NAFE33352的評估能力即將通過NAFE33352-UIOM得到擴展。NAFE33352-UIOM是一款軟件可配置的輸入/輸出AFE Arduino? Shield擴展板，支持快速評估，并與恩智浦的FRDM-MCX開發(fā)板實現(xiàn)即插即用的兼容性。FRDM-MCXN947是一款緊湊且可擴展的開發(fā)板，專為MCX N94或N54 MCU的快速原型設(shè)計而打造。NAFE33352-UIOM與FRDM-MCXN947的解決方案獨具特色，展現(xiàn)了緊湊系統(tǒng)設(shè)計方法。

NAFE33352-UIOM解決方案不僅具備卓越的硬件靈活性，還配備了MCUXpresso SDK驅(qū)動程序和參考應(yīng)用程序，能夠加快軟件開發(fā)進程。MCUXpresso提供了開發(fā)高質(zhì)量嵌入式軟件應(yīng)用程序所需的全套工具。所有附帶詳細說明的代碼均可在應(yīng)用代碼中心（ACH）獲取。

長期供貨對于工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要，NAFE33352系列包含在恩智浦產(chǎn)品長期供貨計劃中。

恩智浦助力實現(xiàn)更清潔的水資源

總而言之，通過提供可靠、精準的數(shù)據(jù)，結(jié)合軟件可配置的緊湊型設(shè)計，以及內(nèi)置的校準支持與診斷功能，恩智浦可以打造高效的下一代邊緣AI水質(zhì)分析設(shè)計。恩智浦的NAFE系列在推動此類邊緣AI設(shè)計的開發(fā)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

作者：Madhura Tapse

恩智浦半導(dǎo)體產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理

Madhura Tapse于2023年加入恩智浦半導(dǎo)體，擔任產(chǎn)品營銷經(jīng)理，專注于為工業(yè)4.0和工業(yè)自動化應(yīng)用開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。在加入恩智浦之前，她曾在Maxim Integrated（現(xiàn)為Analog Devices）和Cypress Semiconductors擔任應(yīng)用工程師。她畢業(yè)于浦那大學，獲得了電氣工程學士學位，并在孟買印度理工學院獲得了生物醫(yī)學工程碩士學位。