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

1、基于IEEEl451標(biāo)準(zhǔn)接口的智能傳感器硬件設(shè)計1引言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、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。智能傳感器實現(xiàn)的途徑一般有3種方式：①非集成化實現(xiàn)是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器、信號調(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)成的一個智能傳感器系統(tǒng)。②集成化實現(xiàn)的傳感器系統(tǒng)是采用微機械加工技術(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混合實現(xiàn)是根據(jù)需要，將系統(tǒng)各個集成化環(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，并裝在一個外殼里。這里采用非集成化實現(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)水平提供了堅實的基礎(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現(xiàn)智能化。2智能傳感器的硬件設(shè)計智能傳感器的硬件設(shè)計硬件設(shè)計主要介紹信號調(diào)理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)

4、據(jù)通信模塊3個模塊。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。它是利用ADI公司創(chuàng)始的微電子機械系統(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，可完成模擬信號模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，是整個系統(tǒng)的控制、通訊核心。一方面它對傳感器輸出的信號進行采集、轉(zhuǎn)換，另一方面中央處理器對EEPROM實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳

5、輸。中央微處理器包含一個可編程內(nèi)部振蕩器和一個外部振蕩器驅(qū)動電路，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)計中，加速度模擬信號經(jīng)過分壓、跟隨及

6、濾波等處理后，再進入A／D轉(zhuǎn)換器進行A／D轉(zhuǎn)換，其調(diào)理電路框圖如圖1所示。加速度計輸出電壓為：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)過計算輸出電壓范圍為09～44V。因為A／D轉(zhuǎn)換器所能采集的電壓范圍為0～24V，所以必須對加速度信號進行分壓，才能正確地被A／D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。分壓電路采用簡單的電阻分壓，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)通過向ADOBUSY寫‘1’啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，應(yīng)查詢ADOINT。位以確定轉(zhuǎn)換何時結(jié)束。A／D轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。在設(shè)計中，數(shù)據(jù)的通信是創(chuàng)新點。IEEEl4

8、51.4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。同時能自動識別傳感器的類型，通過軟件的控制可以對傳感器進行校準(zhǔn)。根據(jù)這個要求，設(shè)計了另外一種混合接口，如圖4所示。通過這個接口，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Dal

9、lasSemiconduct生產(chǎn)的DS2431作為TEDS的信息存儲器，DS2431為1024位可編程只讀存儲器，可識別和儲存與之相適應(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端口引腳。在設(shè)計中，DS243l的DAT引腳與C8051F060的P27口相連。通信過程中，C8051F060與DS2431的通訊通過單線協(xié)議進行。DS2431的主要作用是向微處理器提供儲存在其內(nèi)部的TEDS。要實現(xiàn)與DS2

10、431的通信，核心是掌握好1一Wire器件信號收發(fā)時序的問題。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個復(fù)位脈沖和1個應(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，任何時刻單總線上只能有一個數(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，最后進行數(shù)據(jù)交換，必須嚴(yán)格遵守這