在许多恶劣环境系统中，一个不断增长的趋势是高精密电子器件离高温区域越来越近。这一趋势背后有多个推动因素，在能源勘探、航空航天、汽车、重工业和其他终端应用中都有体现。
例如，在能源勘探领域，环境温度增幅为深度的函数，相关设备的典型工作温度为175°C及以上。受尺寸和功率限制，有源冷却不太实际，热对流非常有限。在其他系统中，需要把传感器和信号调理节点置于高温区域附近，比如发动机、刹车系统或高功率能源转换电子器件，以提高系统的整体可靠性或降低成本。
从历史上来看，工程师要为这些应用设计出可靠的高性能电子器件是非常困难的事，因为市场上缺少制造商为这些工作条件生产指定的组件。幸运的是，近年来出现了越来越多的（IC和无源）组件，制造商指定的工作温度高达175°C及以上。另外，最近的参考设计也偏重于性能，将部分这些组件在信号链子系统中结合起来，实现精密数据采集，以使系统设计师能更快地采用相关技术（如 CN－0365），并帮助他们降低设计风险、缩短上市时间。但在此之前，在高温精密数据采集方面，距离特性良好、广泛可用的全功能平台还存在一些差距。
在本文中，我们将介绍一种新型高温精密数据采集与处理平台，其工作温度高达200°C。该平台包括一个高温电路组件，以及一个数据采集前端和微控制器、优化的固件、数据采集与分析软件、源代码、设计文件、材料清单和测试报告。该平台适合参考设计、快速原型制作和高温仪器仪表系统实验室测试。电路组件的尺寸和结构均经过特别设计，可兼容石油天然气仪器仪表的尺寸要求，但也可作为其他高温应用的基础。
硬件架构概述
油气勘探中使用的仪器仪表（也称为井下工具）与许多精密数据采集与控制平台类似，但对性能和可靠性有着具体的要求，可以作为本参考平台的案例进行研究。在该应用中，系统来自各类传感器的信号采样，以收集与周围地质构造相关的信息。这些传感器可能是电极、线圈、压电传感器或其他传感器。加速度计、磁力计和陀螺仪可以提供有关钻柱的倾角和转速信息。这些传感器中有一些的带宽要求极低，其他传感器则能提供音频频率范围内或以上的信息。需要使用多个采集通道，还必须在高温（一般为175°C及以上）下维持高精度。另外，这些仪器仪表中很大一部分采用电池供电，或者可用电能有限，因此，必须具有低功耗和多个工作模式的特点，以实现功耗优化。
在有关电子系统的要求以外，井下应用还存在机械上的限制，可能决定着电子组件的尺寸，也可能会影响组件的封装和选择。对于后一个问题，我们将在后面各节里详细讨论，目前要注意的是，这一段的电路组件一般对电路板宽度有限制。必须将电子组件放在钻探作业中使用的管状压力容器中，因此其长宽比具有狭长的特点。这种形状上的特点限制了可用组件的尺寸和密度，也可能限制组件布局和信号路由的分割方式，结果可能对高精度电子器件的性能造成影响，因此，要特别注意布局和其他封装设计细节。图2所示为一种典型尺寸、装在一个管状压力容器里的电路组件（透明，顶部），装上电路板后管状压力容器的横截面（底部）。
本文讨论的可靠参考设计平台基于CN－0365模拟前端参考设计，其目的是为基于高温低功耗微控制器的精密数据采集和控制解决方案奠定基础，使其符合众多井下仪器仪表和其他高温电子器件的要求。基于AD7981 模数SAR转换器，该参考设计展现了一种全功能的系统，带2个高速同步采样通道和8个额外的多路复用通道，可满足广泛的井下工具的数据采集需求（共10个通道）。该模拟前端通过SPI端口接入来自联盟合作伙伴Vorago Technologies和Petromar Technologies的VA10800 ARM? Cortex?－M0。该设计是不断壮大的 ADI高温应用产品和解决方案生态系统里的最新成员。
采集后，可以在本地处理数据，也可通过UART或可选的RS－485通信接口传输出去。电路板上的其他配套组件（包括内存、时钟、电源和无源器件）均为各自供应商指定的、支持高工作温度的器件，经验证，这些组件能在200°C或以上的温度下可靠地工作。图1和图2所示为该高温参考平台的实际电路板图和高层次功能框图。图2所示电路板展示的是井下电路板布局和尺寸，约长11．4英寸、宽1．1英寸。
CN－0365应用笔记中全面地介绍了该平台精密数据采集通道的设计问题。该设计是这个平台上的三个ADC输入的基础，不过，为了满足电路板尺寸要求，使平台能在最高200°C的温度下可靠地工作，主要在无源元件选择方面进行了一些调整和优化。参考采集通道电路如图4所示。有2个能在高采样速率下工作的数字多路复用通道，每一个都含有一个完整的数据采集通道（与CN－0365类似）。还有一个模拟多路复用通道，其在输入之前添加了一个ADG798多路复用器，并针对低吞吐量输入进行了优化。R1和R3为U1的同相输入提供1．25 V偏置电压，防止其在断开时或者取消选择多路复用器时，浮动至模拟输入的供电轨。可以更改R8和R9，以提高U1的增益。R4、R7和C1是抗混叠滤波器，但也可以将它们重新配置为衰减器或交替滤波器配置。R5、R6和C4构成ADC驱动器与ADC输入之间的RC滤波器，该滤波器的作用是限制到达ADC输入的带外噪声量，并衰减来自ADC输入开关电容的反冲电压。
设计该平台就是为了利用AD7981 ADC的多个关键特性。这款16位、600 kSPS转换器能提高超过85 dB的典型SINAD以及±0．6 LSB的典型INL，其中，基准电压源为2．5V且无丢码。采用5 V基准电压源时，可以实现90 dB以上的SINAD，但在本平台中，为了维持与较低电压系统的兼容性，我们没有选择这一规格。由于ADC内核在转换周期之间会自动进入省电状态，因此，ADC的功耗会随吞吐量自动线性变化。在使用低采样速率的转换器时，这样做可以实现节能。软件概述
固件
平台的固件基于FreeRTOS操作系统制成，可以方便地集成任务，如数据处理和其他通信。我们对代码进行了优化，以便非多路复用通道0和1能高效地完成快速ADC转换，多路复用通道2到9的转换耗时低至10 μs。转换结果可以在本地处理，也可以2 Mbps的速率从UART通道中传输出去。转换结果缓冲器的大小为16 kB（8k次采样结果），既可在多个通道之间共享，也可专门供一个通道使用。该固件以开源格式提供，最终用户可以对其进行定制，还可将其作为最终应用的基础。
数据采集与分析软件
图5所示为数据采集与分析软件，基于．NET接口设计，电源组件通过一个USBUART－TTL电平转换器。借助定义明确的协议，可以与硬件（包括控制和数据流）进行通信。数据可以在突发模式下采集数据，也可连续采集。另外纳入了数据分析功能，以在时域和频域分析与验证SNR、THD和SINAD（如FFT）。也可将数据记录到文件（如导出到Excel），以便存储起来或者在其他应用中进行处理。就如固件一样，我们免费提供了数据采集软件的源代码，最终用户可以进行定制。