基于片上系統(tǒng)芯片的傳感器模塊設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來和信息化要求的不斷提高，特別是Internet的不斷普及和Intranet在企業(yè)中日益增多，為此，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能傳感器技術(shù)相結(jié)合就有必要和可能。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)概念由此而產(chǎn)生。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)致力于研究智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信功能，將傳感器技術(shù)，通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸和處理真正統(tǒng)一和協(xié)同。本文研制了一種基于片上系統(tǒng)芯片的傳感器模塊軟硬件設(shè)計(jì)。

　　2 傳感器模塊硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　傳感器模塊(STIM)原理框圖如圖1所示，主要包括：變送器陣列模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、多通道數(shù)據(jù)采集模塊、TEDS模塊及TII智能接口等部分。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的集成度，設(shè)計(jì)采用了集成式的片上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADuC812。

　　傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理模塊放大調(diào)理，輸入至ADuC812片內(nèi)的多通道ADC，ADC對(duì)相應(yīng)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換后，存儲(chǔ)于RAM中，然后通過TII智能接口將數(shù)據(jù)讀入NCAP。為了方便TEDS內(nèi)容的升級(jí)與更新，系統(tǒng)采用異步串行口來下載電子數(shù)據(jù)表格至ADuC812的片內(nèi)Flash。此外，異步串行口還可用來下載和調(diào)試用戶程序，方便系統(tǒng)開發(fā)。

　　3 傳感器系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　3.1 STIM傳感器前端信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

　　溫度傳感器采用AD公司的AD590芯片實(shí)現(xiàn)的，它是單片集成兩端感溫電流源。其電路原理圖如圖2所示，其中R1=5.1KΩ，R2=R3=10KΩ，R4=2KΩ，R5和R6分別選10KΩ的電位器。AD590受溫度變化產(chǎn)生電流信號(hào)時(shí)，在電阻R1兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，從而在運(yùn)放輸入端產(chǎn)生電壓信號(hào)，由加法電路進(jìn)行調(diào)節(jié)零點(diǎn)漂移；由運(yùn)放OP07進(jìn)行比例放大，放大倍數(shù)由電位器R6調(diào)節(jié)，使測(cè)試溫度范圍在0~65℃，輸出電壓相應(yīng)為0~2.5V。

　　3.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

　　ADuC812需要外接POR(Power-on reset，上電復(fù)位)電路。上電復(fù)位電路在電源電壓低于2.5V時(shí)，要使RESET引腳保持高電平；而且，在電源電壓高于2.5V時(shí)，RESET引腳保持低電平至少10ms。在本模塊中采用專門的POR芯片ADM810設(shè)計(jì)的POR電路。ADM810是CMOS監(jiān)控電路芯片，能夠監(jiān)控電源電壓、電源故障和微處理器的工作狀態(tài)。復(fù)位信號(hào)RESET用于啟動(dòng)或重新啟動(dòng)CPU，在上電期間只要電源電壓VCC大于1.0V，就能保證輸出高電平電壓。在VCC上升期間RESET保持高電平直到電源電壓升至復(fù)位門(4.65V)以上，在超過此門限后，內(nèi)部定時(shí)器大約再維持200ms后釋放RESET，使其返回低電平。無論何時(shí)，只要電源電壓降低到復(fù)位門限以下(即電源跌落)，RESET引腳就會(huì)變高，如果在已經(jīng)開始的復(fù)位脈沖期間出現(xiàn)電源跌落，復(fù)位脈沖至少再維持140ms。在掉電期間，一旦電源電壓VCC降到復(fù)位門限以下，只要VCC不比1.0V還低，就能使RESET維持高電平。

　　3.3 TII接口模塊

　　TII接口是硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，該接口不是一種額外的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而是連接NCAP和STIM的接口，主要定義二者之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，同步時(shí)鐘的短距離接口。TII是基于SPI協(xié)議的串口通信接口，其中DIN，DOUT，DCLK和NIOE完成通訊功能，NTRIG和NACK實(shí)現(xiàn)與STIM有關(guān)的通道讀寫、觸發(fā)和應(yīng)答，STIM使用NINT信號(hào)要求從NCAP得到服務(wù)，NCAP使用NSDET信號(hào)檢測(cè)STIM模塊，實(shí)現(xiàn)STIM的即插即用。系統(tǒng)采用ADuC812的SPI總線和其它的I/O資源來模擬實(shí)現(xiàn)TII十線接口。連接示意圖如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)STIM模塊的熱插拔，需對(duì)TII接口的供電電源進(jìn)行處理，可以在STIM方面加入熱插拔保護(hù)電路，當(dāng)然也可以在NCAP方面加入保護(hù)電路。本系統(tǒng)在NCAP方面加入了保護(hù)電路。

　　3.4 信號(hào)調(diào)理存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電信號(hào)與ADC的輸入范圍并不一定匹配，因而，一般不直接送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，必需對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后的模擬信號(hào)符合ADC的要求。將傳感器送來的信號(hào)送入放大器OPA4350，此時(shí)放大器OPA4350形成一個(gè)電壓跟隨器，起到阻抗變換的作用，以增大輸出電流。從放大器輸出的信號(hào)輸入ADuC812控制器的AD轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

　　由于ADuC812內(nèi)部只有256字節(jié)數(shù)據(jù)RAM，因此，需外擴(kuò)大容量RAM，在此選用了IS61C256，擴(kuò)展了32K數(shù)據(jù)區(qū)。考慮到ADuC812內(nèi)部集成了640字節(jié)Flash，可以作為電子數(shù)據(jù)表格的存儲(chǔ)區(qū)，所以無需外擴(kuò)Flash存儲(chǔ)器。

　　3.5 在線下載與調(diào)試

　　程序存儲(chǔ)器陣列可以按兩種模式之一來編程:一種是串行下載(在線編程)模式；另一種是并行編程模式。并行編程模式與常規(guī)的第三方提供的閃速或EEPROM器件編程器完全兼容，但應(yīng)用起來較復(fù)雜，需要對(duì)ADuC812中支持并行編程所需的外部引腳進(jìn)行配置。所以，在本模塊的開發(fā)和調(diào)試過程中采用的是串行下載模式。作為工廠引導(dǎo)代碼的一部分，ADuC812本身具有在線編程的程序，使經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)UART串行接口實(shí)現(xiàn)串行代碼下載變得容易，只需通過一個(gè)與地相連的1kΩ電阻將ADuC812的/PSEN引腳拉至低電平，那么上電時(shí)器件將自動(dòng)進(jìn)入串行下載模式。本系統(tǒng)使用圖4的RS-232接口電路，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與ADuC812的串行接口通信。

　　4 傳感器模塊軟件設(shè)計(jì)

　　程序軟件是系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)依靠程序軟件的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)傳感器模塊的所有功能。程序軟件的合理設(shè)計(jì)可以有效的發(fā)揮擴(kuò)展系統(tǒng)硬件的功能。本模塊的軟件設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)化來自于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的處理器是與51系列單片機(jī)兼容的ADuC812，可以采用面向MCS-51的程序設(shè)計(jì)語言，包括ASM51匯編語言和C51高級(jí)語言。與以往的80C51單片機(jī)不同，ADuC812具有在線調(diào)試和下載功能，它由支持ADuC812的開發(fā)工具包Quickstart開發(fā)系統(tǒng)來提供。也就是說，在用戶系統(tǒng)保留ADuC812的情況下，通過開發(fā)系統(tǒng)與ADuC812的串行接口通信，直接對(duì)用戶系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

　　1、STIM的軟件模塊。

　　STIM必須包含一個(gè)TEDS、控制與狀態(tài)寄存器、傳感器通道、中斷標(biāo)志、地址和函數(shù)編譯邏輯、數(shù)據(jù)傳輸與處理函數(shù)，觸發(fā)和觸發(fā)承認(rèn)函數(shù)、一個(gè)TII驅(qū)動(dòng)和一個(gè)傳感器接口。IEEE1451.2STIM的軟件分了四個(gè)主要部分:(1)傳感器接口STIM模塊；(2)傳感器獨(dú)立接口TII模塊；(3)電子數(shù)據(jù)表格TEDS模塊；(4)地址與函數(shù)功能模塊。

　　2、數(shù)據(jù)采集程序。

　　為了使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到高精度的數(shù)據(jù)，不但硬件上需要采取上述的一些抗干擾以及提高精度的措施，如對(duì)供電電源進(jìn)行嚴(yán)格穩(wěn)壓處理，對(duì)ADC輸入信號(hào)進(jìn)行RC高頻濾波，采用高精度、高穩(wěn)定度的ADC基準(zhǔn)源，采用高精度的傳感器等等，同時(shí)軟件上的優(yōu)化也相當(dāng)重要，合適的軟件設(shè)計(jì)能進(jìn)一步提高精度，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體性能。

　　3、TEDS下載程序。

　　本系統(tǒng)的TEDS下載程序是RS232串行通訊程序，分為單片機(jī)程序和上位機(jī)程序兩部分組成。這里研究單片機(jī)程序的開發(fā)。PC機(jī)和單片機(jī)之間要實(shí)現(xiàn)串行通信，除了要遵守RS232串行通訊協(xié)議外，還必須具有各自的通信應(yīng)用軟件。通信軟件的設(shè)計(jì)思路是：PC機(jī)為主動(dòng)方式，在通訊開始后由PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，單片機(jī)返回應(yīng)答信號(hào)，通訊正常后，單片機(jī)根據(jù)PC機(jī)發(fā)送來的命令，執(zhí)行相應(yīng)功能并應(yīng)答。單片機(jī)流程圖如圖5。

　　5 系統(tǒng)測(cè)試

　　本測(cè)試系統(tǒng)的大體設(shè)計(jì)思路是：以ADuC812作為下位機(jī)，當(dāng)接收到上位機(jī)的指令采集數(shù)據(jù)，通過串口將采集到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)將得到的測(cè)試數(shù)據(jù)很容易被轉(zhuǎn)化成直觀的圖表等形式，并可以保存于計(jì)算機(jī)中以便將來使用。本系統(tǒng)需要為單片機(jī)和上位機(jī)分別編制軟件，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的溝通，本系統(tǒng)采用VB來編寫上位機(jī)的程序，用匯編語言來編寫ADuC812的程序。由于VB具有MSCOMM控件，我們可以很方便地用串口來采集所需要的數(shù)據(jù)。而且，VB的程序通俗易懂，移植性較強(qiáng)，開發(fā)簡單、周期短，繪圖功能強(qiáng)大，特別適合應(yīng)用到需要繪制曲線的系統(tǒng)。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 本文對(duì)研制的傳感器模塊進(jìn)行了全面的介紹，本系統(tǒng)的研究為IEEE1451網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的研究奠定了一定的基礎(chǔ)，為開發(fā)各種標(biāo)準(zhǔn)化的IEEE1451傳感器模塊STIM提供了范例。