在全球共同應對氣候變化及環境挑戰的過程中，清潔水和健康土壤等關鍵資源的獲取仍是亟待解決的重要的全球性問題。聯合國的統計數據顯示，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生服務。

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技術的興起，憑借高質量數據支持和強大的機器學習推理引擎，實現實時資源質量監測已成為可能。AI驅動的傳感器與數據分析技術可實時監測水質參數，并自動調控水系統，根據動態變化的情況優化水資源的分配與使用。基于AI的系統不僅提高了運營效率，減少了水資源浪費，還促進了自適應水資源管理。

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

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計數據，為利用機器學習算法實現實時水質監測提供了技術支持。

先進的水質分析解決方案

下圖為一種用于分析水pH值和電導率的電路概覽圖。該應用包含兩個電極：

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，以驅動電解液中的浮動電極。偏置電極能夠在電解液中引發化學反應或產生氫離子活性。

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，該電流被轉換為10mV至100mV范圍內的電壓，供ADC進一步處理。

圖1 該電路用于水的pH值和電導率分析

基于邊緣AI的水電導率分析系統

●   高質量數據支持實時監測與預測性維護

通過使用來自pH計的高度精確且可靠的數據對機器學習推理引擎進行訓練，可以在質量控制與故障分析方面實現出色的準確性。穩定的輸出與診斷數據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參數。

■   穩定性：隨時間與溫度變化而引起的漂移是邊緣AI pH計和電導率計設計的關鍵注意事項。低預測性漂移能夠顯著提高監督機器學習算法的準確性，從而更好地預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范圍并獲取精準讀數，信號鏈與功率設計過程中應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，以確保在各種環境下實現精準測量。

■   診斷與校準：電極診斷功能在預測性維護和高質量測量中至關重要。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監測中面臨的障礙與挑戰。

NAFE33352依托恩智浦廣泛的多通道通用模擬輸入產品組合，是一款軟件可配置的通用輸入/輸出AFE，能夠滿足邊緣AI pH計應用對高精度測量和數據處理的嚴苛需求。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，以應對EMC和誤接線情況。此外，該器件內置診斷與保護電路，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，為預測性維護提供了可靠的技術保障。

●   NAFE33352 AFE如何助力pH監測中的高級診斷

■   穩定的ADC和DAC數據為模式識別提供支持

◇   輸入ADC數據

在此應用中，ADC的典型數據速率約為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，包括數據速率、PGA增益、數字濾波器階數以及穩定模式設置。其中，影響噪聲性能的兩個關鍵因素是數據速率和PGA增益。降低數據速率會使總噪聲按比例降低，因為數字濾波器的等效噪聲帶寬與數據速率成正比。與此同時，提高PGA增益可以減少輸入參考噪聲，這是因為PGA的噪聲水平低于ADC的噪聲。此外，噪聲性能還受到數字濾波器形狀的影響，較低的階數會進一步降低等效噪聲帶寬，從而改善噪聲水平。

表1 噪聲性能結果

■   輸出DAC數據

NAFE33352的DAC可用于生成此類應用所需的復雜波形。通過SPI主機發送DAC命令CMD_WGEN，可以觸發自動DAC波形發生器。所有波形參數均可在不同的寄存器中進行編程，以實現所需的輸出波形。

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。

這種高精度與穩定性的數據為機器學習模型的定制化數據集提供了有力支持，從而提升準確性和可靠性。高質量數據與機器學習模型的精度息息相關，確保了算法能夠正確構建接口。

■   智能模擬集成

NAFE33352的另一大優勢在于模擬集成度高，有助于顯著減小此類工業物聯網設備的整體外形尺寸。該產品集成了DAC，可生成用于溶液中偏置電極的復雜波形。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產生的電流，從而無需使用跨阻抗放大器。

圖2 展示模擬集成的框圖，有助于緊湊型工業物聯網設備

■   用于預測性維護的診斷和校準

恩智浦的NAFE系列提供多種內部診斷功能，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穩定pH測量的關鍵。通過預測性校準，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，支持自我狀態監測和系統級狀態監測。除了常規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、電源電壓范圍監測、過熱關斷保護，以及系統內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（CAL）。該系數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計的設計

KITNAFE33352-EVB是一款即將發布的評估板，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進行系統設計所需的所有關鍵組件。通過現成的LPC54S018 MCUXpresso SDK驅動程序以及用于評估的GUI，該板能夠顯著加快開發進程。

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開發板實現即插即用的兼容性。FRDM-MCXN947是一款緊湊且可擴展的開發板，專為MCX N94或N54 MCU的快速原型設計而打造。NAFE33352-UIOM與FRDM-MCXN947的解決方案獨具特色，展現了緊湊系統設計方法。

NAFE33352-UIOM解決方案不僅具備卓越的硬件靈活性，還配備了MCUXpresso SDK驅動程序和參考應用程序，能夠加快軟件開發進程。MCUXpresso提供了開發高質量嵌入式軟件應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用代碼中心（ACH）獲取。

長期供貨對于工業應用至關重要，NAFE33352系列包含在恩智浦產品長期供貨計劃中。

恩智浦助力實現更清潔的水資源

總而言之，通過提供可靠、精準的數據，結合軟件可配置的緊湊型設計，以及內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水質分析設計。恩智浦的NAFE系列在推動此類邊緣AI設計的開發中發揮了至關重要的作用。

作者：Madhura Tapse

恩智浦半導體產品市場營銷經理

Madhura Tapse于2023年加入恩智浦半導體，擔任產品營銷經理，專注于為工業4.0和工業自動化應用開發相關產品。在加入恩智浦之前，她曾在Maxim Integrated（現為Analog Devices）和Cypress Semiconductors擔任應用工程師。她畢業于浦那大學，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學工程碩士學位。