高性能單片機ADuC824及其在智能傳感器中的應(yīng)用

　　1　引言

　　測控系統(tǒng)向自動化、智能化方向不斷發(fā)展，這不僅對傳感器的準確性、可靠性、穩(wěn)定性要求越來越高，而且要求傳感器應(yīng)具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，能夠進行自動檢測、自動校準和自動誤差補償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的需要，而且僅靠改進材料工藝也很難滿足要求。

　　計算機技術(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）的，兼有信息檢測，信號處理，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AD公司新推出的一款非常靈活的高性能的單片機。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的性能特點簡介

　　ADuC824是一個片內(nèi)資源非常豐富的單片機，其卓越的性能源于各種資源的獨自特點，主要表現(xiàn)為：它以便于進行軟件編程的8051為內(nèi)核；集高分辨率的、具有24位／16位無丟失碼、可直接接收來自傳感器微弱信號的雙路Σ－ΔADC，溫度傳感器，增益可編程放大器（PGA），8位MCU（Micro ProgrammedControl Unit），閃速／電擦除存儲器（Flash／EEProgram Memory），看門狗定時器（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是一個完全可編程的、自校準、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大的高精度、寬動態(tài)范圍的全集成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。符合IEEE1451．2標準的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，傳感器將被測的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，送到信號調(diào)理電路中，進行濾波、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，它不但可以對傳感器測量數(shù)據(jù)進行計算、存儲、數(shù)據(jù)處理，還可以通過反饋回路對傳感器進行調(diào)節(jié)?？梢?，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中的信號調(diào)理電路和輸出接口獨立于微處理器之外，不但影響智能傳感器的精度，而且不易于實現(xiàn)智能傳感器的進一步集成。

　　現(xiàn)采用單片機ADuC824來構(gòu)成智能傳感器，由于它可直接接收來自傳感器的微弱信號且集成度高、體積?。s1cm2大小，可直接放在傳感器上），因此，可以大大簡化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)智能傳感器的高度集成。同時，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)用實例

　　圖3是DSSP（Digital Sensor Signal Processing，數(shù)字傳感器信號處理）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。

　　傳感器模塊用來將被測物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號。其中，主傳感器為壓力傳感器，它的作用是測量被測壓力參數(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主傳感器工作時，由于環(huán)境溫度變化或被測介質(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償溫度變化對測量帶來的誤差。而環(huán)境壓力傳感器的作用是測量工作環(huán)境大氣壓變化，以便修正大氣壓變化對測量的影響。可見，這種智能式傳感器需要具有較強的自適應(yīng)能力，并可以判斷工作環(huán)境因素的變化，進行必要的修正，保證測量的準確性。
數(shù)據(jù)輸出模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。CPU模塊是整個傳感器的核心。

　　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可以直接接收來自傳感器的微弱信號，因此，用單獨一片ADuC824即可同時實現(xiàn)原CPU模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊的全部功能，完成對傳感器輸出的微弱信號進行放大、處理、存儲和計算機通信。

　　圖4為ADuC824與傳感器模塊及上位機的接口電路，ADuC824中的兩個獨立的主、輔ADC可以同時直接接收來自主、輔傳感器的信號。若有多個輔助傳感器（如溫度傳感器、環(huán)境壓力傳感器等），則可通過多路器與輔助ADC連接，利用定時中斷進行數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)以UART方式，通過RS－232標準接口與上位機通信。

　　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)實現(xiàn)的功能

　　該系統(tǒng)由于采用了ADuC824，可以實現(xiàn)多功能集成，主要表現(xiàn)為：邏輯判斷、統(tǒng)計處理功能，自診斷、自校準功能，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)計處理功能

　　ADuC824中與8051兼容的內(nèi)核可對檢測數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計和修正，還可進行線性、非線性、溫度、噪聲、響應(yīng)時間、交叉感應(yīng)以及緩慢漂移等的誤差補償，提高了測量準確度。

　　3．3．2　自診斷、自校準功能

　　ADuC824中雙路Σ－ΔADC模塊含有失調(diào)校準和增益校準四個特殊功能寄存器，這些寄存器驅(qū)動校準邏輯，可在上電時采用硬件校準進行開機自檢，確保始終能從ADC獲得最佳性能。另外，用戶還可以通過軟件對器件的校準條件進行初始化，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，可在工作中進行測量前對轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)實現(xiàn)自檢，并可實時自行診斷、測試，以確定哪一組件有故障，提高了測量的準確性和工作可靠性。

　　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。用戶可以根據(jù)待測物理量的數(shù)值大小、誤差要求及變化情況，通過編制軟件自動選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性和靈活性。

　　3．3．4　具有組態(tài)功能

　　ADuC824具有通道獨立的雙路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；輔助通道可用來接收并轉(zhuǎn)換輔助傳感器（如溫度傳感器）的輸入信號。與多路模擬器（MUX）配合可實現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測量，擴大了檢測與使用范圍。

　　3．3．5　優(yōu)秀的記憶、存儲功能

　　ADuC824片內(nèi)集成的8Kbyte閃速／電擦除程序存儲器和640byte閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲器為用戶提供了非易失性、在線可編程的程序和數(shù)據(jù)存儲空間。閃速／電擦除存儲器是基于單個晶體管單元結(jié)構(gòu)的最新類型的存儲器，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，又兼有EEPROM靈活的在線可編程的特點，并且還組合了EPROM的大容量、高密度的特點。同時，又能像RAM一樣隨機地進行讀寫，從而實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的隨時存取，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)標準的同步串行接口（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^編程與計算機或其它微處理器直接聯(lián)機，進行信息的相互交換，實現(xiàn)對多點智能傳感器的控制，提高信息處理的質(zhì)量。

　　由ADuC824構(gòu)成的智能傳感器可通過各種軟件對信息檢測過程進行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計算機軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實現(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，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，因為不需編寫與這些芯片的接口程序，所以，編程的工作量降低，程序運行速度更快。

　　4　結(jié)束語

　　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、稱重儀、壓力測量、便攜式設(shè)備等領(lǐng)域。它代表了當今單片機的發(fā)展方向，即，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，將大部分功能高度集成在一個單片內(nèi)。這樣，用戶在進行單片機系統(tǒng)的設(shè)計時，將主要是選擇合適的單片機和編寫相應(yīng)的軟件，而系統(tǒng)外部電路設(shè)計將變得非常容易。