基于IEEEl451標(biāo)準(zhǔn)接口的智能傳感器硬件設(shè)計(jì)

1 引言
    微處理器帶來的數(shù)字化革命到虛擬儀器的飛速發(fā)展．對傳感器的綜合精度、穩(wěn)定可靠性和響應(yīng)要求越來越高，傳統(tǒng)的傳感器已不能適應(yīng)多種測試要求，隨著微處理智能技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)在傳感器上的應(yīng)用，智能傳感器(Smart Sen—sor)誕生了。所謂智能傳感器，就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑一般有3種方式：①非集成化實(shí)現(xiàn)是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字接口的微處理器組合為一整體，而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)。②集成化實(shí)現(xiàn)的傳感器系統(tǒng)是采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料制作敏感元件、信號調(diào)理電路、微處理單元，并把其集成到一塊芯片上構(gòu)成。固又稱為集成智能傳感器。③混合實(shí)現(xiàn)是根據(jù)需要，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如：敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理單元、數(shù)字總線接口，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里。這里采用非集成化實(shí)現(xiàn)的方式。
    IEEE1451是一種新的通用智能化傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)為即插即用智能傳感器與現(xiàn)有的各種總線提供了通用的接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)的提出，為提高全球范圍內(nèi)傳感器技術(shù)水平提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為測試系統(tǒng)的智能化提供了基本前提。在設(shè)計(jì)中，基于IEEEl45l.4標(biāo)準(zhǔn)提出了一種新的接口，使傳感器既可以輸出模擬信號也可也輸出數(shù)字信號，使得普通的傳感器可以實(shí)現(xiàn)智能化。

2 智能傳感器的硬件設(shè)計(jì)
    硬件設(shè)計(jì)主要介紹信號調(diào)理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)通信模塊3個(gè)模塊。傳感器采用加速度傳感器ADXL250，ADXL250是ADI公司推出的低噪聲、低功耗的二維加速度計(jì)。它是利用ADI公司創(chuàng)始的微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS技術(shù)制造的。中央微處理器采用C805lF060，其內(nèi)部集成2個(gè)16位 SAR(逐次逼近型)A／D轉(zhuǎn)換器，8通道10位SAR A／D轉(zhuǎn)換器，可完成模擬信號模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，是整個(gè)系統(tǒng)的控制、通訊核心。一方面它對傳感器輸出的信號進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換，另一方面中央處理器對EEPROM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。中央微處理器包含一個(gè)可編程內(nèi)部振蕩器和一個(gè)外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，為了減小系統(tǒng)功耗和體積，采用可編程內(nèi)部振蕩器。大多數(shù)情況下，從傳感器中輸出的電信號不能直接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，要經(jīng)過必要的信號調(diào)理電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓范圍之內(nèi)，然后經(jīng)過信號濾波電路，濾掉信號中的雜波成分，才能使其在形式、幅度、信噪比、轉(zhuǎn)換靈敏度和精度等方面達(dá)到中央處理器的要求，以提高傳感器數(shù)字化后的精度。智能傳感器硬件設(shè)計(jì)中，加速度模擬信號經(jīng)過分壓、跟隨及濾波等處理后，再進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，其調(diào)理電路框圖如圖1所示。

    加速度計(jì)輸出電壓為：

   
    式中：Vs為供電電壓，單位為V；Sensitivity為輸出的加速度靈敏度，單位為mV／g。ADXL250的靈敏度為38 mV／g；a為輸入的加速度，單位為g。
    經(jīng)過計(jì)算輸出電壓范圍為0．9～4．4 V。因?yàn)锳／D轉(zhuǎn)換器所能采集的電壓范圍為0～2．4 V，所以必須對加速度信號進(jìn)行分壓，才能正確地被A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。分壓電路采用簡單的電阻分壓，并用運(yùn)算放大器進(jìn)行跟隨。分壓處理后，輸出的加速度信號范圍為0．45～2．2V，滿足A／D轉(zhuǎn)換器的采集范圍。設(shè)計(jì)中選擇了1 MΩ的分壓大電阻進(jìn)行分壓，這樣做的好處是能提高系統(tǒng)的輸入阻抗，減小由于輸入阻抗過低對加速度信號的影響。
    濾波是對傳感器信號分壓后進(jìn)行的模擬濾波處理。設(shè)計(jì)中采用集成開關(guān)電容濾波器MAX291對傳感器信號進(jìn)行模擬濾波。MAX291是MAXIM公司生產(chǎn)的8階巴特沃斯型開關(guān)電容式有源低通濾波器。MAX291的可靠性和穩(wěn)定性高，避免了分立元件的各種誤差、漂移影響。它的3 dB截止頻率可在0．1～25 Hz之間選擇，具有固定的歸一化頻率響應(yīng)。時(shí)鐘頻率fCLK與截止頻率fC的比值為100：1；噪聲低，典型值為一70 dB THD+Noise。如果直接利用MAX291的內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器，只需外接一只電容，其電容值和3 dB截止頻率則滿足：

   
    設(shè)計(jì)中直接采用MAX291內(nèi)部振蕩器，外接0．1μF的電容。圖2是濾波電路的濾波效果對比圖。

    在設(shè)計(jì)中由于系統(tǒng)緊湊性設(shè)計(jì)的特殊需要，選用微處理器集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時(shí)也節(jié)約了成本。C8051F060的A／D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括兩個(gè)lMs／s、16位分辨率的逐次逼近寄存器型A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換器中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和DMA接口。為了提高傳感器信號采集精度，這里A／D轉(zhuǎn)換采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，可以通過相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行配置。內(nèi)部電壓基準(zhǔn)電路由一個(gè)溫度穩(wěn)定性好的1．2 V帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和一個(gè)2倍增益的輸出緩沖放大器組成。ADCO的電壓基準(zhǔn)電路由基準(zhǔn)控制寄存器REFOCN控制。REFOCN寄存器用于獨(dú)立地使能／禁止ADCO的內(nèi)部基準(zhǔn)和偏置發(fā)生器電路。BIASE0位使能ADC0的內(nèi)部偏置發(fā)生器。該位為‘1’時(shí)，ADC0內(nèi)部偏壓發(fā)生器工作。設(shè)計(jì)中使用的是ADC0內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，則必須使ADC0所對應(yīng)的BLASE0和REFBEO位都被置‘1’，內(nèi)部2．4 V電壓基準(zhǔn)輸出到VREFO引腳。VREF0引腳對AGND的最大負(fù)載必須小于100μA，應(yīng)在VREF0引腳與VRGND0之間接入0．1μF和47μF的旁路電容。使用ADC0時(shí)，應(yīng)將ADCO電壓基準(zhǔn)接地引腳VRGNDO接地．經(jīng)過上述合理的設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)中測得的電壓基準(zhǔn)約為2．44 V。ADCO的最高轉(zhuǎn)換速度為1 Ms／s，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘來自系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，寄存器ADCOCF中的ADCOSC位決定每個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為多少個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘(1～16)。ADCO有4種轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，由ADCOCN中的ADC0啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式位(ADOCMl，AD0CM0)的狀態(tài)決定。轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有：
    ①向ADCOCN的AD0BUSY位寫1；
    ②定時(shí)器3溢出(即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換)；
    ③外部A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號CNVSTR0的上升沿；
    ④定時(shí)器2溢出(即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換)。
    其中第3種為外部觸發(fā)源，另外3種為內(nèi)部觸發(fā)源。ADOBUSY位在轉(zhuǎn)換期間被置‘1’，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復(fù)‘O’。ADOBUSY位的下降沿觸發(fā)中斷并將中斷標(biāo)志ADOINT(ADCOCN．5)置‘1’。在單端方式下，ADC0的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被保存在ADC0數(shù)據(jù)字的MSB和LSB寄存器：ADCOH和ADCOL。當(dāng)通過向ADOBUSY寫‘1’啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)查詢ADOINT。位以確定轉(zhuǎn)換何時(shí)結(jié)束。A／D轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

    在設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)的通信是創(chuàng)新點(diǎn)。IEEEl451.4標(biāo)準(zhǔn)的接口要求既能輸出模擬信號，又能輸出數(shù)字信號。同時(shí)能自動(dòng)識別傳感器的類型，通過軟件的控制可以對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)這個(gè)要求，設(shè)計(jì)了另外一種混合接口，如圖4所示。通過這個(gè)接口，既能輸出模擬信號，又能輸出數(shù)字信號。模擬信號即傳感器直接輸出經(jīng)過調(diào)理后的信號。數(shù)字信號包括兩種信號，一種是RS422電平的信號，用D+，D-表示，另外一種數(shù)字信號是C8051F060從EEPROM中讀出的TEDS信號，在此用DAT表示。EEPROM采用Dallas Semiconductor生產(chǎn)的DS2431作為TEDS的信息存儲(chǔ)器，DS2431為1024位可編程只讀存儲(chǔ)器，可識別和儲(chǔ)存與之相適應(yīng)產(chǎn)品的有關(guān)信息。這些系列或產(chǎn)品的指定信息能通過最小的接口訪問，比如微控制器的一個(gè)端口引腳。在設(shè)計(jì)中，DS243l的DAT引腳與C8051F060的P2．7口相連。通信過程中，C8051F060與DS2431的通訊通過單線協(xié)議進(jìn)行。DS2431的主要作用是向微處理器提供儲(chǔ)存在其內(nèi)部的TEDS。要實(shí)現(xiàn)與DS2431的通信，核心是掌握好1一Wire器件信號收發(fā)時(shí)序的問題。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，DS243l對通信協(xié)議有很嚴(yán)格的要求。DS2431的通信協(xié)議主要包括4種信號類型：初始化信號(包括1個(gè)復(fù)位脈沖和1個(gè)應(yīng)答脈沖)，寫O，寫1，讀數(shù)據(jù)。這些信號中，除了應(yīng)答脈沖以外，都是由總線控制單元發(fā)出。為保證數(shù)據(jù)可靠的傳輸，任何時(shí)刻單總線上只能有一個(gè)數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)和命令傳輸通常從復(fù)位命令開始，隨后是ROM命令和RAM命令，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，必須嚴(yán)格遵守這個(gè)命令序列，才能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。

3 結(jié)語
    在充分研究IEEEl451．4標(biāo)準(zhǔn)接口的基礎(chǔ)上，完成了智能傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)，從控制軟件上可以收到傳感器輸出的信號，所提出電路設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。