高性能單片機(jī)ADuC824及其在智能傳感器中的應(yīng)用

　　1　引言

　　測(cè)控系統(tǒng)向自動(dòng)化、智能化方向不斷發(fā)展，這不僅對(duì)傳感器的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，而且要求傳感器應(yīng)具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，能夠進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)校準(zhǔn)和自動(dòng)誤差補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿(mǎn)足這樣的需要，而且僅靠改進(jìn)材料工藝也很難滿(mǎn)足要求。

　　計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大變革，由微處理器和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生了功能強(qiáng)大的智能傳感器（Intelligent Sensor／SmartSensor）。所謂智能傳感器，就是一種帶有微處理器（或單片機(jī)）的，兼有信息檢測(cè)，信號(hào)處理，信息記憶，邏輯思維與判斷功能的傳感器。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，智能傳感器的智能化和集成化將成為其發(fā)展的兩個(gè)重要方向。而智能傳感器的智能化和集成化的程度將主要取決于與之相結(jié)合的微處理器的性能。

　　ADuC824是美國(guó)AD公司新推出的一款非常靈活的高性能的單片機(jī)。將它與傳感器相結(jié)合，可以構(gòu)成高集成的智能傳感器。

　　2　ADuC824的性能特點(diǎn)簡(jiǎn)介

　　ADuC824是一個(gè)片內(nèi)資源非常豐富的單片機(jī)，其卓越的性能源于各種資源的獨(dú)自特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：它以便于進(jìn)行軟件編程的8051為內(nèi)核；集高分辨率的、具有24位／16位無(wú)丟失碼、可直接接收來(lái)自傳感器微弱信號(hào)的雙路Σ－ΔADC，溫度傳感器，增益可編程放大器（PGA），8位MCU（Micro ProgrammedControl Unit），閃速／電擦除存儲(chǔ)器（Flash／EEProgram Memory），看門(mén)狗定時(shí)器（WDT），電源監(jiān)視器（PSM），以及SPI（SerialPeripheralInterface）和I2C（Inter Integrated Circuit）總線接口等資源于一身。ADuC824是一個(gè)完全可編程的、自校準(zhǔn)、高精度的數(shù)據(jù)采集芯片。

　　3　ADuC824在智能傳感器中的應(yīng)用

　　如上所述，ADuC824是一個(gè)高度集成的高性能微轉(zhuǎn)換器，其片內(nèi)豐富的資源使其成為功能十分強(qiáng)大的高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的全集成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。符合IEEE1451．2標(biāo)準(zhǔn)的ADuC824在智能傳感器領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　3．1　硬件設(shè)計(jì)方案

　　智能傳感器主要由傳感器、微處理器及其相關(guān)電路組成，其典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　其工作原理是，傳感器將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，送到信號(hào)調(diào)理電路中，進(jìn)行濾波、放大、模－數(shù)轉(zhuǎn)換后，送到微處理器中。微處理器是智能傳感器的核心，它不但可以對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，還可以通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)?？梢?jiàn)，微處理器的自身性能和集成極大地決定了智能傳感器的多功能化和集成化程度。

　　圖1中的信號(hào)調(diào)理電路和輸出接口獨(dú)立于微處理器之外，不但影響智能傳感器的精度，而且不易于實(shí)現(xiàn)智能傳感器的進(jìn)一步集成。

　　現(xiàn)采用單片機(jī)ADuC824來(lái)構(gòu)成智能傳感器，由于它可直接接收來(lái)自傳感器的微弱信號(hào)且集成度高、體積?。s1cm2大小，可直接放在傳感器上），因此，可以大大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)智能傳感器的高度集成。同時(shí)，充分利用各種軟件的功能，可以完成硬件難以完成的任務(wù)，從而大大降低傳感器制造的難度，提高傳感器的性能，降低成本。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　3．2　ADuC824在智能壓力傳感器中的應(yīng)用實(shí)例

　　圖3是DSSP（Digital Sensor Signal Processing，數(shù)字傳感器信號(hào)處理）結(jié)構(gòu)的DTP（DigitalTemperature Pressure，數(shù)字溫度壓力）型智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。

　　DTP型智能壓力傳感器的硬件電路分為4大部分：電源模塊，傳感器模塊，CPU模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊。

　　電源模塊的功能是為集成芯片提供5V的工作電壓。

　　傳感器模塊用來(lái)將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。其中，主傳感器為壓力傳感器，它的作用是測(cè)量被測(cè)壓力參數(shù)；輔助傳感器為溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。溫度傳感器的作用是檢測(cè)主傳感器工作時(shí)，由于環(huán)境溫度變化或被測(cè)介質(zhì)溫度變化而使其壓力敏感元件發(fā)生的溫度變化，以便根據(jù)其溫度變化修正與補(bǔ)償溫度變化對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差。而環(huán)境壓力傳感器的作用是測(cè)量工作環(huán)境大氣壓變化，以便修正大氣壓變化對(duì)測(cè)量的影響。可見(jiàn)，這種智能式傳感器需要具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，并可以判斷工作環(huán)境因素的變化，進(jìn)行必要的修正，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。
數(shù)據(jù)輸出模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。CPU模塊是整個(gè)傳感器的核心。

　　在智能壓力傳感器中，CPU、A／D、D／A、EEPROM、WDT等芯片及其片外設(shè)備是必不可少的。由于ADuC824不僅將這些功能高度集成到一塊芯片上，還集成了片內(nèi)外設(shè)SPI和I2C串行接口，可以用RS－232指令格式傳輸數(shù)據(jù)，且其ADC可以直接接收來(lái)自傳感器的微弱信號(hào)，因此，用單獨(dú)一片ADuC824即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)原CPU模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊的全部功能，完成對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、處理、存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)通信。

　　圖4為ADuC824與傳感器模塊及上位機(jī)的接口電路，ADuC824中的兩個(gè)獨(dú)立的主、輔ADC可以同時(shí)直接接收來(lái)自主、輔傳感器的信號(hào)。若有多個(gè)輔助傳感器（如溫度傳感器、環(huán)境壓力傳感器等），則可通過(guò)多路器與輔助ADC連接，利用定時(shí)中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)以UART方式，通過(guò)RS－232標(biāo)準(zhǔn)接口與上位機(jī)通信。

　　系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。限于篇幅，各軟件模塊的程序在此不作介紹。主程序和串行口中斷通信服務(wù)程序的框圖如圖5所示。

　　3．3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

　　該系統(tǒng)由于采用了ADuC824，可以實(shí)現(xiàn)多功能集成，主要表現(xiàn)為：邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能，自診斷、自校準(zhǔn)功能，自適應(yīng)、自調(diào)整功能，具有組態(tài)功能，優(yōu)秀的記憶、存儲(chǔ)功能，以及卓越的數(shù)據(jù)通訊功能。下面分別加以介紹。

　　3．3．1　邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能

　　ADuC824中與8051兼容的內(nèi)核可對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和修正，還可進(jìn)行線性、非線性、溫度、噪聲、響應(yīng)時(shí)間、交叉感應(yīng)以及緩慢漂移等的誤差補(bǔ)償，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。

　　3．3．2　自診斷、自校準(zhǔn)功能

　　ADuC824中雙路Σ－ΔADC模塊含有失調(diào)校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)四個(gè)特殊功能寄存器，這些寄存器驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)邏輯，可在上電時(shí)采用硬件校準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢，確保始終能從ADC獲得最佳性能。另外，用戶(hù)還可以通過(guò)軟件對(duì)器件的校準(zhǔn)條件進(jìn)行初始化，以適應(yīng)特定的工作條件。在ADC輸入通道中接入傳感器燒通電流，可在工作中進(jìn)行測(cè)量前對(duì)轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自檢，并可實(shí)時(shí)自行診斷、測(cè)試，以確定哪一組件有故障，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和工作可靠性。

　　3．3．3　自適應(yīng)、自調(diào)整功能

　　ADuC824中的主ADC含有可編程增益放大器（PGA），可以編程選擇±20mV～±2．56V之間8檔輸入量程。用戶(hù)可以根據(jù)待測(cè)物理量的數(shù)值大小、誤差要求及變化情況，通過(guò)編制軟件自動(dòng)選擇檢測(cè)量程和測(cè)量方式，提高了檢測(cè)適用性和靈活性。

　　3．3．4　具有組態(tài)功能

　　ADuC824具有通道獨(dú)立的雙路Σ－ΔADC，即，主通道ADC和輔助通道ADC。主通道用于接收并轉(zhuǎn)換主傳感器的輸入信號(hào)；輔助通道可用來(lái)接收并轉(zhuǎn)換輔助傳感器（如溫度傳感器）的輸入信號(hào)。與多路模擬器（MUX）配合可實(shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測(cè)量，擴(kuò)大了檢測(cè)與使用范圍。

　　3．3．5　優(yōu)秀的記憶、存儲(chǔ)功能

　　ADuC824片內(nèi)集成的8Kbyte閃速／電擦除程序存儲(chǔ)器和640byte閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為用戶(hù)提供了非易失性、在線可編程的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。閃速／電擦除存儲(chǔ)器是基于單個(gè)晶體管單元結(jié)構(gòu)的最新類(lèi)型的存儲(chǔ)器，是在EEPROM技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的產(chǎn)物，它既具有ROM的非易失信息的優(yōu)點(diǎn)，又兼有EEPROM靈活的在線可編程的特點(diǎn)，并且還組合了EPROM的大容量、高密度的特點(diǎn)。同時(shí)，又能像RAM一樣隨機(jī)地進(jìn)行讀寫(xiě)，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的隨時(shí)存取，加快了信息的處理速度。

　　3．3．6　卓越的數(shù)據(jù)通訊功能

　　ADuC824片內(nèi)具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行接口（SPI）和I2C總線接口，它們構(gòu)成智能化傳感器的數(shù)據(jù)通訊接口?？赏ㄟ^(guò)編程與計(jì)算機(jī)或其它微處理器直接聯(lián)機(jī)，進(jìn)行信息的相互交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)智能傳感器的控制，提高信息處理的質(zhì)量。

　　由ADuC824構(gòu)成的智能傳感器可通過(guò)各種軟件對(duì)信息檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強(qiáng)了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能，并且以軟件代替部分硬件，可降低傳感器的制作難度。

　　由此可見(jiàn)，使用ADuC824后不但大大減少了元器件的數(shù)量和線路板面積，降低了產(chǎn)品成本，而且由于集成度的提高也使可靠性得以提高。在軟件編程上，因?yàn)椴恍杈帉?xiě)與這些芯片的接口程序，所以，編程的工作量降低，程序運(yùn)行速度更快。

　　4　結(jié)束語(yǔ)

　　具有豐富的片內(nèi)資源的ADuC824可廣泛用于智能傳感器／變送器、智能儀表、稱(chēng)重儀、壓力測(cè)量、便攜式設(shè)備等領(lǐng)域。它代表了當(dāng)今單片機(jī)的發(fā)展方向，即，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，將大部分功能高度集成在一個(gè)單片內(nèi)。這樣，用戶(hù)在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，將主要是選擇合適的單片機(jī)和編寫(xiě)相應(yīng)的軟件，而系統(tǒng)外部電路設(shè)計(jì)將變得非常容易。