基于ieeel451標(biāo)準(zhǔn)接口的智能傳感器硬件設(shè)計(jì)

1、基于IEEEl451標(biāo)準(zhǔn)接口的智能傳感器硬件設(shè)計(jì)1引言引言微處理器帶來(lái)的數(shù)字化革命到虛擬儀器的飛速發(fā)展對(duì)傳感器的綜合精度、穩(wěn)定可靠性和響應(yīng)要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的傳感器已不能適應(yīng)多種測(cè)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(SmartSen—s)誕生了。所謂智能傳感器，就是帶微處理器、兼有信息檢測(cè)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(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)

2、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(hào)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(hào)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

3、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(cè)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(hào)也可也輸出數(shù)字信號(hào)，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)智能傳感器的硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)主要介紹信號(hào)調(diào)理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)

4、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SARA／D轉(zhuǎn)換器，可完成模擬信號(hào)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(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換，另一方面中央處理器對(duì)EEPROM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳

5、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(hào)不能直接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，要經(jīng)過(guò)必要的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓范圍之內(nèi)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)濾波電路，濾掉信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)分壓、跟隨及

6、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38mV／g；a為輸入的加速度，單位為g。經(jīng)過(guò)計(jì)算輸出電壓范圍為09～44V。因?yàn)锳／D轉(zhuǎn)換器所能采集的電壓范圍為0～24V，所以必須對(duì)加速度信號(hào)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(jiǎn)單的電阻分壓，并其中第

7、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(ADCOCN5)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(guò)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)。IEEEl4

8、51.4標(biāo)準(zhǔn)的接口要求既能輸出模擬信號(hào)，又能輸出數(shù)字信號(hào)。同時(shí)能自動(dòng)識(shí)別傳感器的類型，通過(guò)軟件的控制可以對(duì)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(guò)這個(gè)接口，既能輸出模擬信號(hào)，又能輸出數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)即傳感器直接輸出經(jīng)過(guò)調(diào)理后的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)包括兩種信號(hào)，一種是RS422電平的信號(hào)，用D，D表示，另外一種數(shù)字信號(hào)是C8051F060從EEPROM中讀出的TEDS信號(hào)，在此用DAT表示。EEPROM采用Dal

9、lasSemiconduct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(shí)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(guò)最小的接口訪問(wèn)，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P27口相連。通信過(guò)程中，C8051F060與DS2431的通訊通過(guò)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DS2

10、431的通信，核心是掌握好1一Wire器件信號(hào)收發(fā)時(shí)序的問(wèn)題。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，DS243l對(duì)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(hào)類型：初始化信號(hào)(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(hào)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