基于STM32的傳感器接口模塊的設(shè)計(jì)

摘要：基于STM32實(shí)現(xiàn)了電流型、電壓型以及數(shù)字IO型傳感器接口模塊；進(jìn)行了接口模塊的軟件設(shè)計(jì)，說明了詳細(xì)的固件代碼設(shè)計(jì)。除傳統(tǒng)串口外，提供以太網(wǎng)接口，嵌入U(xiǎn)DP協(xié)議，提供后期開發(fā)的便利接口。
關(guān)鍵詞：信號(hào)接口；傳感器接口模塊；UDP協(xié)議

0 引言
物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)是未來很長一段時(shí)間內(nèi)IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成或產(chǎn)業(yè)鏈的劃分，目前業(yè)界比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)基本都認(rèn)為應(yīng)該包括三個(gè)層面：末端設(shè)備或子系統(tǒng)、通信連接系統(tǒng)、以及管理和應(yīng)用系統(tǒng)。即Device-設(shè)備、Connect-連接和Manage-管理。由于數(shù)字整合的需求日益增長，對(duì)作為感知層核心組成元素的傳感器數(shù)據(jù)融合提出了更高要求。如何將傳感器連入網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)尤其重要的問題。

傳感器通過接口模塊接入到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。傳感器通過信號(hào)接口連接到接口模塊，節(jié)點(diǎn)以相應(yīng)的適配模塊接收和處理傳感器輸出信號(hào)，并將傳感器原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)用戶可以識(shí)別的信息，最后通過網(wǎng)絡(luò)通信接口連接到上位機(jī)或者任何網(wǎng)絡(luò)。
傳感器感知外部環(huán)境，某種敏感變量如電阻、電荷之類參量發(fā)生變化，然后經(jīng)過信號(hào)處理，產(chǎn)生可供AD轉(zhuǎn)換的電壓或電流信號(hào)(目前ADC應(yīng)用主要還是電壓輸入，電流模式ADC尚未大規(guī)模應(yīng)用)，而后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為可供處理的數(shù)字信號(hào)。由于在不同應(yīng)用場(chǎng)合中會(huì)使用到針對(duì)上述不同層次接口的傳感器，故信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)不同層次設(shè)計(jì)：
層次1：需經(jīng)過信號(hào)調(diào)理然后才能輸入AD處理，如熱電阻、4～20mA電流輸出；
層次2：直接符合AD輸入要求的，如0～5V電壓輸出；
層次3：數(shù)字信號(hào)輸出，如開關(guān)量、RS232接口輸出；如圖2所示。

直接輸出可以連入網(wǎng)絡(luò)的接口，比如現(xiàn)場(chǎng)總線接口(如CAN、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng))、無線通信接口(如Zigbee、WI-FI)等一般無需考慮信號(hào)接口的問題，如需連入不同網(wǎng)絡(luò)可以使用相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)(如CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng))。
基于此分類依據(jù)，傳感器輸出信號(hào)一般有電壓信號(hào)、電流信號(hào)、電阻信號(hào)、頻率信號(hào)、脈沖信號(hào)、數(shù)字電平信號(hào)等。

1 傳感器接口模塊設(shè)計(jì)概述
從功能上來講，接口模塊需要完成傳感器與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)之間的連接，解決傳感器的異構(gòu)性帶來的諸多問題，完成從原始信號(hào)到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流過程?？偟膩碚f包括傳感器接入及激勵(lì)、信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換／數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信。不同信號(hào)輸入類型的接口模塊在整體功能上是類似的，主要不同在于信號(hào)調(diào)理部分，以及AD轉(zhuǎn)換的不同要求。接口模塊整體功能如圖3所示。

信號(hào)調(diào)理針對(duì)不同信號(hào)類型設(shè)計(jì)。傳感器原始輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接入后，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后生成可供ADC處理的信號(hào)。有的傳感器還需提供激勵(lì)源。
ADC依據(jù)不同應(yīng)用需求所需的通道數(shù)、精度、速度進(jìn)行選擇?？蛇x擇外置ADC，系統(tǒng)要求不高或者在一些特殊場(chǎng)合也可使用SOC片上系統(tǒng)的內(nèi)置ADC(比如TI的MSC1210系列MCU內(nèi)置24bit sigma-delta ADC，尤其適合處理微弱信號(hào))。
另外需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)與傳感器或者接口模塊相關(guān)的描述信息，一般可使用EEPROM。鑒于此功能，存儲(chǔ)模塊芯片的選取就得考慮總線讀寫速度以及可編程性。由于需要在標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊正常工作的同時(shí)修改Flash中的電子表單，所以存儲(chǔ)芯片得支持IAP(在應(yīng)用編程)功能。
整個(gè)模塊的核心處理器為MCU或者FPGA，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)模塊的邏輯進(jìn)行控制，可根據(jù)不同應(yīng)用要求選擇8位單片機(jī)或者高性能ARM處理器或者FPGA可重配置芯片。
網(wǎng)絡(luò)通訊采用可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合選取不同接口，比如RS485總線、CAN總線、Ethemet、WiFi等?？芍С侄鄠€(gè)接口模塊，主機(jī)可對(duì)從模塊進(jìn)行配置，可自由添加模塊。

2 基于STM32的傳感器接口模塊設(shè)計(jì)
2．1 電流接口模塊設(shè)計(jì)
以STM32F103系列處理器為核心，外掛ADC采樣芯片、以太網(wǎng)接口芯片、RS-232／485接口芯片。模擬電流信號(hào)經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路、電平匹配電路輸入至ADC采樣芯片后由處理器采集。ADC芯片采用5V的外置參考電壓，提高精確度。EEPROM芯片通過IIC接口與處理器通信。處理器經(jīng)由串口以及以太網(wǎng)接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息交換。調(diào)試接口為20針標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口。
電源部分設(shè)計(jì)為輸入24V直流，經(jīng)線性穩(wěn)壓電路和電壓反轉(zhuǎn)電路生成模擬部分需要的5V電壓和數(shù)字電路需要的3．3V電壓。電源輸入的24V電壓可以直接供給工業(yè)上常用的二線制電流輸出傳感器做激勵(lì)。
整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

下面介紹具體電路設(shè)計(jì)。電源部分為+24V-DC輸入經(jīng)LM2596(IC1)開關(guān)電源芯片產(chǎn)生+5V-DC電壓，+5V電源直接供給模擬部分電路。IC2為LM1117—3．3線性穩(wěn)壓芯片，將5V電源變換為3．3V供給數(shù)字電路。數(shù)字地與模擬地隔離，通過10 μH電感或者磁珠連接，可以抑制數(shù)字電路對(duì)于模擬電路部分的干擾。LED1和LED2分別用來指示兩部分的電源接通狀況。

輸入的電流由100Ω精密負(fù)載電阻變換為電壓信號(hào)，由同向放大電路放大至AD轉(zhuǎn)換所需要的電平，增益可以由電位器來進(jìn)行微調(diào)。運(yùn)放采用AD8551(U$3)，其在低壓差單電源情況下表現(xiàn)完美，具有極低失調(diào)電壓(5 μV)、極低的溫漂(0．03μV／℃)以及軌對(duì)軌輸入輸出的特性。

+24V電壓經(jīng)過78L12Z(IC4)穩(wěn)壓產(chǎn)生12V電源供給AD586(U52)芯片產(chǎn)生高精度5V基準(zhǔn)信號(hào)，輸入到AD采樣芯片ADS8344(U$1)的參考輸入端。AD586的trim端連接10k電位器，可以對(duì)輸出的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行精密調(diào)節(jié)。四路電流采樣信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大后直接輸入到AD芯片CH0-3通道，ADC由數(shù)字SPI接口連接MCU進(jìn)行控制采集。

EEPROM存貯芯片采用241c64(IC5)芯片，具有64kbit存儲(chǔ)容量，外部接口為I2C與MCU相連。ARM芯片的IO口經(jīng)MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，將3.3V邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平信號(hào)，接入DB-9插頭。MAX3232采用3.3V供電，具有低功耗、高數(shù)據(jù)速率、增強(qiáng)型ESD保護(hù)等特性。 ENC28J60是SPI接口的以太網(wǎng)控制器，其SPI接口與MCU的SPI對(duì)應(yīng)IO口相連，輸入和輸出分別為一組差分信號(hào)，接入帶有1：1脈沖變壓器的10BASE-T RJ-45插座。時(shí)鐘由外部提供，使用25M晶振。

2．2 電壓／數(shù)字IO接口模塊設(shè)計(jì)
電壓接口模塊與數(shù)字開關(guān)量接口模塊基本沿用電流接口模塊的設(shè)計(jì)。不同之處在于模擬輸入部分無需經(jīng)過電流一電壓轉(zhuǎn)換，直接經(jīng)運(yùn)放輸入ADC。數(shù)字量接口直接由MCU的IO端口引出。傳感器輸出的電壓直接輸入同向放大電路至AD轉(zhuǎn)換所需要的電平。此處運(yùn)放就相當(dāng)于一個(gè)電壓跟隨器，顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，可以提高驅(qū)動(dòng)能力。

2．3 接口模塊硬件實(shí)現(xiàn)
整個(gè)板子盡量使用緊湊布局。電源以及傳感器接口布置于左側(cè)，使用螺絲接線端子引出。串口以及以太網(wǎng)口布局在右側(cè)。整個(gè)模擬與數(shù)字部分基本分開而設(shè)，有效避免干擾。布局基本沒什么變化，左邊螺絲接線端子往外移了一些，主要是考慮到外殼封裝上后螺絲端子可能不夠外露的問題。

3 基于STM32的標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊固件設(shè)計(jì)
標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊的固件程序包括主程序、配置程序、ADC數(shù)據(jù)采樣程序、EEPROM讀寫程序、以太網(wǎng)網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)程序、UDP協(xié)議棧的嵌入。
接口模塊中共用到三種通信總線。ADC以及以太網(wǎng)控制器與MCU間為SPI總線，EEPROM與MCU間為IIC總線，另外接口模塊提供UART串口對(duì)外通信。以外網(wǎng)嵌入U(xiǎn)DP協(xié)議。
3．1 AD數(shù)據(jù)采樣
AD數(shù)據(jù)采樣是整個(gè)系統(tǒng)接口模塊固件設(shè)計(jì)的核心工作，也是實(shí)現(xiàn)傳感器信息獲取的關(guān)鍵所在。該模塊負(fù)責(zé)將采集到的傳感器信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。
AD數(shù)據(jù)采樣主要完成如下的幾個(gè)功能：
(1)初始化。該工作主要完成對(duì)一些物理器件的引腳功能、工作模式等進(jìn)行預(yù)定義；
(2)AD轉(zhuǎn)換。通過軟件啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；
(3)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)換后的信息，同時(shí)發(fā)送相應(yīng)的控制命令，以切換采集通道。
在數(shù)據(jù)采集過程中，我們可能需要切換不同通道，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)傳感器信息的獲取。實(shí)際設(shè)計(jì)中，控制器會(huì)在采集本次通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的同時(shí)，發(fā)送下次采集通道的編號(hào)。詳細(xì)操作步驟如下：
(1)需采集的通道地址(Ch)通過SPI接口寫入ADS8344的相應(yīng)寄存器，應(yīng)用設(shè)定的波特率來設(shè)置接口傳輸速度；
(2)通過MCU設(shè)置GPIOB12(作為AD的CS信號(hào))為低來啟動(dòng)ADS8344進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)傳輸方式為SPI發(fā)送模式；
(3)當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，設(shè)置GPIOB12為高電平，ADS8344結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)入空閑模式并等待MCU的指令。此外，固件代碼中設(shè)置了對(duì)ADC進(jìn)行軟標(biāo)定的程序。這樣可以通過精密信號(hào)源對(duì)ADC進(jìn)行標(biāo)定，提高采樣精讀。標(biāo)定信息存儲(chǔ)于EEPROM中。功能實(shí)現(xiàn)代碼如下：

3．2 以太網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)
同樣需要先進(jìn)行SPI接口和GPIO端口初始化，與之前ADC類似，只不過這里用SPI1口。GPIO初始化也不再多說。以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)部分主要是數(shù)據(jù)包的發(fā)送／接收，緩沖區(qū)的讀寫，物理層的寫等函數(shù)。SPI口的發(fā)送／接收函數(shù)如下：

3．3 控制指令
串口指令格式
[起始標(biāo)志][指令][指令參數(shù)1]<指令參數(shù)2>…[結(jié)束標(biāo)志]
指令示意：
00 01 01 FF讀取通道1的電流值
00 04 C0 A8 89 03 FF設(shè)置IP地址為192(0xC0)．168(0xA8)．137(0x89)．3(0x03)
00 05 2E E0 FF設(shè)置UDP端口為12000(0x2EE0)00 07 10 11 11 10 14 19 FF往EEPROM的地址0x0110寫入數(shù)據(jù)0x49
00 09 19 18 FF將數(shù)字IO1設(shè)為輸出，高電平，IO2／3輸入，IO4輸出，低電平以太網(wǎng)支持串口的指令0x01-0x03及0x07-0x0a，其參數(shù)、功能和返回值與串口一致。不支持用以太網(wǎng)口配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

4 結(jié)果與總結(jié)
4．1 調(diào)試結(jié)果
在串口助手環(huán)境下調(diào)試。以太網(wǎng)參數(shù)設(shè)置：
發(fā)送指令00 04 C0 A8 89 03 FF設(shè)置接口模塊IP地址為192(0xC0)．168(0xA8)．137(0x89)．3(0x03)
發(fā)送指令00 05 55 66 FF設(shè)置接口模塊UDP端口為21862(0x5566)
發(fā)送指令00 06A1 B2 C3 D4 E5 06 FF設(shè)置接口模塊MAC地址

Ping接口模塊：cmd ping 192．168．137．3(串口已經(jīng)設(shè)置好ip和端口號(hào))

以太網(wǎng)采樣和讀寫EEPROM：發(fā)送類似同樣指令完成采樣以及讀寫操作

4．2 總結(jié)
本文以傳感器的輸出信號(hào)類型為分類依據(jù)，基于該信號(hào)接口分類給出了基于STM32的傳感器接口模塊的硬件設(shè)計(jì)，并實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電流型、電壓型以及數(shù)字IO型模塊，給出了相應(yīng)的硬件選型以及電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；進(jìn)行了接口模塊的軟件設(shè)計(jì)，說明了詳細(xì)的固件代碼設(shè)計(jì)。除傳統(tǒng)串口外，提供以太網(wǎng)接口，嵌入U(xiǎn)DP協(xié)議，提供后期開發(fā)的便利。