一種IEEEl451標(biāo)準(zhǔn)接口的智能傳感器硬件設(shè)計(jì)

精品文檔-下載后可編輯一種IEEEl451標(biāo)準(zhǔn)接口的智能傳感器硬件設(shè)計(jì)1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(duì)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(jī)械加工技術(shù)在傳感器上的應(yīng)用，智能傳感器（SmartSen—sor）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(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)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)，為測試系統(tǒng)的智能化提供了基本前提。

2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)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)。

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)過計(jì)算輸出電壓范圍為0.9～4.4V。因?yàn)锳／D轉(zhuǎn)換器所能采集的電壓范圍為0～2.4V，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。分壓電路采用簡單的電阻分壓，并用運(yùn)算放大器進(jìn)行跟隨。分壓處理后，輸出的加速度信號(hào)范圍為0.45～2.2V，滿足A／D轉(zhuǎn)換器的采集范圍。設(shè)計(jì)中選擇了1MΩ的分壓大電阻進(jìn)行分壓，這樣做的好處是能提高系統(tǒng)的輸入阻抗，減小由于輸入阻抗過低對(duì)加速度信號(hào)的影響。

濾波是對(duì)傳感器信號(hào)分壓后進(jìn)行的模擬濾波處理。設(shè)計(jì)中采用集成開關(guān)電容濾波器MAX291對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行模擬濾波。MAX291是MAXIM公司生產(chǎn)的8階巴特沃斯型開關(guān)電容式有源低通濾波器。MAX291的可靠性和穩(wěn)定性高，避免了分立元件的各種誤差、漂移影響。它的3dB截止頻率可在0.1～25Hz之間選擇，具有固定的歸一化頻率響應(yīng)。時(shí)鐘頻率fCLK與截止頻率fC的比值為100：1；噪聲低，典型值為一70dBTHD+Noise。如果直接利用MAX291的內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器，只需外接一只電容，其電容值和3dB截止頻率則滿足：

設(shè)計(jì)中直接采用MAX291內(nèi)部振蕩器，外接0．1μF的電容。圖2是濾波電路的濾波效果對(duì)比圖。

在設(shè)計(jì)中由于系統(tǒng)緊湊性設(shè)計(jì)的特殊需要，選用微處理器集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時(shí)也節(jié)約了成本。C8051F060的A／D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括兩個(gè)lMs／s、16位分辨率的逐次逼近寄存器型A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換器中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和DMA接口。

為了提高傳感器信號(hào)采集精度，這里A／D轉(zhuǎn)換采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，可以通過相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行配置。內(nèi)部電壓基準(zhǔn)電路由一個(gè)溫度穩(wěn)定性好的1.2V帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和一個(gè)2倍增益的輸出緩沖放大器組成。ADCO的電壓基準(zhǔn)電路由基準(zhǔn)控制寄存器REFOCN控制。REFOCN寄存器用于獨(dú)立地使能／禁止ADCO的內(nèi)部基準(zhǔn)和偏置發(fā)生器電路。BIASE0位使能ADC0的內(nèi)部偏置發(fā)生器。VREF0引腳對(duì)AGND的負(fù)載必須小于100μA，應(yīng)在VREF0引腳與VRGND0之間接入0.1μF和47μF的旁路電容。使用ADC0時(shí)，應(yīng)將ADCO電壓基準(zhǔn)接地引腳VRGNDO接地。經(jīng)過上述合理的設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)中測得的電壓基準(zhǔn)約為2.44V。ADCO的轉(zhuǎn)換速度為1Ms／s，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘來自系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，寄存器ADCOCF中的ADCOSC位決定每個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為多少個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘（1～16）。ADCO有4種轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，由ADCOCN中的ADC0啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式位（ADOCMl，AD0CM0）的狀態(tài)決定。

轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有：

①向ADCOCN的AD0BUSY位寫1；

②定時(shí)器3溢出（即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換）；

③外部A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)CNVSTR0的上升沿；

④定時(shí)器2溢出（即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換）。

在設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)的通信是創(chuàng)新點(diǎn)。IEEEl451.4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，通過軟件的控制可以對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。通過這個(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)，另外一種數(shù)字信號(hào)是C8051F060從EEPROM中讀出的TEDS信號(hào)。

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DS2431的通信，是掌握好1一Wire器件信號(hào)收發(fā)時(shí)序的問題。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，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，必須嚴(yán)格遵守這個(gè)命令序列，才能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。

智能傳感器

智能傳感器（intelligentsensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。一般智能機(jī)器人的感覺系統(tǒng)由多個(gè)傳感器集合而成，采集的信息需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：通過軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動(dòng)化能力；功能多樣化。

一個(gè)良好的‘智能傳感器’是由微處理器驅(qū)動(dòng)的傳感器與儀表套裝，并且具有通信與板載診斷等功能