低功耗智能傳感器的設(shè)計

在工業(yè)控制過程中，經(jīng)常需要對一些參數(shù)進(jìn)行測量，而一般傳感器的輸出信號較弱，不適合作遠(yuǎn)距離傳輸。為了減小干擾，通常采用4～20mA電流輸出的雙絞線變送器。信號模擬處理的變送器，由于電路的復(fù)雜性的限制，非線性補(bǔ)償效果不理想，很難在全溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)溫度補(bǔ)償，因此達(dá)不到較高的精度要求。隨著低功耗高精度單片機(jī)、Σ-Δ ADC和Σ-ΔDAC的日益普及，為高精度的智能變送器的設(shè)計提供了技術(shù)途徑。

本文介紹的單片傳感信號接口設(shè)計采用了德州儀器公司新近推出的一款多功能的微控制器MSP430F2013，它內(nèi)部集成了16位的Σ-ΔADC。2kb的程序空間和128b的數(shù)據(jù)存儲空間，可以完成數(shù)據(jù)的智能采集，并采用差分傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)按幀進(jìn)行傳輸，傳輸過程中采用CRC檢驗進(jìn)行差錯控制。

MSP430F2013的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

MSP430F2013是TI公司MSP430系列的一款微控制器， 它具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：16位的RISC CPU、16位的寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可以獲得很高的代碼效率；五種低功耗模式，在便攜式的測量應(yīng)用中可以延長電池的使用壽命；數(shù)控振蕩器（DCO）使得從低功耗模式切換到正常模式只要不到1μs；一個16位的定時器；10個I/O口；具備同步通信協(xié)議（SPI或者I2C）；一個16位的Σ-Δ ADC。

MSP430F2013的典型應(yīng)用是傳感系統(tǒng)捕獲模擬信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后利用數(shù)字信號作屏幕顯示或者將數(shù)字信號傳輸?shù)揭粋€主機(jī)系統(tǒng)中用作其他處理。

系統(tǒng)介紹

常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對模擬信號要進(jìn)行信號放大，而且一般都要設(shè)計一個與單片機(jī)的接口電路，本系統(tǒng)具有很高的集成度，單片即可完成信號的放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，軟件濾波，同時實現(xiàn)了一個單線協(xié)議，直接可以和高檔計算機(jī)進(jìn)行通訊，無須設(shè)計與單片機(jī)的接口電路。

MSP430F2013是一個低功耗的器件，當(dāng)運(yùn)行在1MHz的時鐘條件下，系統(tǒng)的工作電流為220μA，而待命模式的工作電流僅為0.5μA，保持RAM的節(jié)電模式的工作電流更是只有0.1μA，這樣的低功耗完全可以利用電池供電，適合于便攜式的測量。

本系統(tǒng)利用MSP430F2013進(jìn)行智能數(shù)據(jù)采集，從前端傳感器采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過程控增益放大器進(jìn)行放大，隨后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后以異步串行的方式輸出。圖1是整個系統(tǒng)的原理圖。

圖1 系統(tǒng)原理圖

為簡化系統(tǒng)，同時避免外部晶振對系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)采用內(nèi)部DCO作為時鐘，系統(tǒng)利用差分傳輸數(shù)據(jù)，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)的隔離。本應(yīng)用中配置傳輸速率為9600b/s，可以用串口設(shè)定匹配的波特率進(jìn)行接收。

無論系統(tǒng)采用內(nèi)部參考電壓還是外部參考電壓，輸入電壓都有相應(yīng)的范圍，所以前端模擬量的輸入要用穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅。

系統(tǒng)可以根據(jù)外界信號的大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的精度，只需拉高P2.6同時調(diào)節(jié)外部輸入的模擬量為所測量的最大值，這時系統(tǒng)將自動調(diào)整PGA（程控增益放大器）。

由于采用半雙工的差分傳輸，系統(tǒng)很容易進(jìn)行擴(kuò)展，系統(tǒng)可以利用多個傳感器組成一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過總線控制傳感器采集數(shù)據(jù)。

1. 系統(tǒng)軟件
   
   系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示。
   
   
   
   圖2 系統(tǒng)軟件流程圖
   
   
2. 初始化
   
   初始化部分主要完成以下功能。
   
   負(fù)責(zé)系統(tǒng)時鐘的初始化，使系統(tǒng)工作頻率為DCO指定的標(biāo)準(zhǔn)8MHz時鐘。
   
   配置系統(tǒng)的端口，由于芯片引腳功能復(fù)用，這一過程就顯得尤為重要。通過設(shè)定SD16AE和SD16INCTL0，使得P1.0和P1.1的工作狀態(tài)分別為A0+、A0-。設(shè)定P2.6、P2.7為通用IO口，其中P2.6用作調(diào)整PGA的控制信號，P2.7用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?BR>
   初始化系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器，采用系統(tǒng)內(nèi)部的參考電壓，由于輸入頻率最多只能為1.1MHz，故將系統(tǒng)主頻率8分頻輸入。MSP430F2013中ADC沒有輸入緩存，在緩存模式選擇中關(guān)閉緩存。系統(tǒng)用來測量連續(xù)變化的物理量，設(shè)定系統(tǒng)為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。
   
3. 測量
   
   測量時打開中斷，當(dāng)有測量結(jié)果產(chǎn)生時，產(chǎn)生中斷，中斷標(biāo)志位置位，測量結(jié)果存放在轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中，當(dāng)從轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中讀出測量結(jié)果后，中斷標(biāo)志位自動復(fù)位。所以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時只需查詢中斷標(biāo)志位即可。
   
   測量結(jié)果濾波采用中位值平均濾波法，每個測量值采樣10次，去除最大值和最小值，其余8個值取算術(shù)平均值。
   
   
   
   這種算法能夠有效地克服因偶然因素引起的波動干擾，尤其適用于溫度、液位等變化緩慢的物理量。
   
   測量時使用內(nèi)部參考電壓，測量信號的電壓輸入范圍為0～500mV，當(dāng)輸入信號滿量程輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出的最高位不為1時，可進(jìn)行信號放大，最大放大倍數(shù)可達(dá)32。當(dāng)輸入信號的放大倍數(shù)為N時，輸入信號的范圍會相應(yīng)地縮小為原來的1/N。例如，當(dāng)選擇PGA的放大倍數(shù)為2倍時，測量信號的電壓輸入范圍為0～250mV。
   
   整個測量過程用偽代碼表示如下。
   
   int  measure (void)
   {
    int i；
    if ( SET==1 )
    {
     調(diào)整增益；
   }
   For (i=0;i<10;i++)
   {
    等待轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生；
    讀取并保存轉(zhuǎn)換結(jié)果；
   }
   累加轉(zhuǎn)換結(jié)果；
   查找最大值與最小值；
   中位值平均濾波；
   返回測量結(jié)果；
   }
   
4. 數(shù)據(jù)傳輸
   
   數(shù)據(jù)發(fā)送按幀發(fā)送，幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。
   
   
   
   圖3 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖
   
   
   每幀數(shù)據(jù)包括同步碼，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果和檢驗碼，幀的同步可以采用特定的同步碼或者間隙同步，這里采用第二種方法。在數(shù)據(jù)幀發(fā)送時，首先拉高數(shù)據(jù)發(fā)送線，拉高的時間為發(fā)送16個數(shù)據(jù)位的時間，幀頭高電平的間隙用作數(shù)據(jù)幀的同步。
   
   奇偶校驗碼作為一種檢錯碼雖然簡單,但是漏檢率太高。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信中用得最廣泛的檢錯碼,是一種漏檢率低得多也便于實現(xiàn)的循環(huán)冗余碼CRC。CRC生成多項式階數(shù)越高，誤判的概率越小。本文采用CCITT-16，其生成多項式為g(x)=x16+x15+x5+1。實現(xiàn)CRC的方法一般有兩種：直接計算和查表。由于查表法至少需要1kb的空間用來存儲表值，所以這里采用直接計算的方法。
   
   數(shù)據(jù)傳輸時使用單線串行輸出，用口線模擬串行發(fā)送，發(fā)送字節(jié)時在口線上依次發(fā)送如圖4所示數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)為0時拉低口線電平，數(shù)據(jù)為1時拉高口線電平），位持續(xù)時間根據(jù)波特率計算，本應(yīng)用中設(shè)定波特率為9600b/s。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，輸出口線上維持高電平。
   
   
   
   圖4 發(fā)送字節(jié)的順序示意圖
   
   
   數(shù)據(jù)發(fā)送最后通過光耦隔離，使得現(xiàn)場和數(shù)據(jù)的輸出隔離，同時可以根據(jù)后級系統(tǒng)輸入的需要簡單地更改電路。

結(jié)束語

經(jīng)過實際應(yīng)用，單片MSP430F2013可實現(xiàn)小信號傳感器輸出電平測量，轉(zhuǎn)換時間小于1ms。并可實現(xiàn)低功耗測量，整機(jī)功耗不超過6mW。該系統(tǒng)特別適合于實現(xiàn)了一個智能傳感器，當(dāng)輸入信號滿輻度大于40mV時可以保證16位A/D轉(zhuǎn)換分辨率。由于采用半雙工的差分傳輸，可以方便地實現(xiàn)傳感器的組網(wǎng)。