基于藍牙技術的即插即用傳感器

引 言

　　隨著測控系統(tǒng)的自動化程度、復雜性、精度和可靠性要求的不斷提高，人們對傳感器性能的要求越來越高；但是傳統(tǒng)傳感器本身的某些不足束縛了這種發(fā)展，于是人們引入了以微處理器為代表的高新技術。為了減少傳感器配置所用的時間，以及在此過程中面臨的風險，最近IEEE 1451.4為傳感器提供了新的標準。該標準建立了一個使傳感器具有即插即用功能的通用方法——為模擬接口傳感器附加自我描述的功能。

　　現場總線技術是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。以往的現場總線一般都是采用有線的連接方式，采用一定的總線協議；而無線網絡的出現，為現場總線的發(fā)展開辟了新的領域，提高了現場總線的靈活性。藍牙技術是一種近距離無線數字通信的技術標準，旨在建立一項軟、硬件結合的公開規(guī)范，為所有不同設備提供具有互操作性、可交叉開發(fā)的工具。利用藍牙系統(tǒng)的散射網，把各個測試設備連接起來，可以形成一個測量系統(tǒng)網絡。將藍牙技術與即插即用傳感器結合起來，就為自動控制與測試系統(tǒng)性能的提高和發(fā)展，提供了新的思路和途徑。

　　本文旨在闡述一個基于藍牙技術的即插即用傳感器系統(tǒng)，通過識別、電路調理和藍牙無線通信來實現傳感器的即插即用。

1系統(tǒng)方案 　　基于藍牙技術的即插即用無線網絡化傳感器測量系統(tǒng)，主要由以下幾個部分組成：傳感器模塊、識別模塊、信號調理電路模塊、A/D 轉換模塊、微處理器模塊、藍牙無線傳輸模塊和上位機模塊。系統(tǒng)結構如圖1所示。

　　該測量系統(tǒng)的工作過程如下： DSP 讀取識別模塊的信息，用以辨識當前與系統(tǒng)連接的傳感器；DSP 根據識別模塊的信息對調理電路進行適當配置；傳感器輸出的信號經過A/D 轉換后送入DSP；DSP 通過藍牙模塊將數據傳輸至上位機。若更換不同的傳感器，只需將DSP 復位，系統(tǒng)即可再次根據當前傳感器單元的需要對電路進行配置，毋需人工干涉，從而實現了傳感器的即插即用。

　　識別模塊是即插即用傳感器的重要組成部分，它為傳感器提供自我描述信息。IEEE 1451.4 標準為此定義了一種規(guī)范。此項標準定義了一種混合模式的接口，在保留了傳統(tǒng)傳感器模擬信號的同時，又附加了一個低成本的數字接口，用以傳送嵌入在傳感器中的傳感器電子數據表(TEDS)，以實現自我身份識別和自我描述的功能,如圖2所示。

　　IEEE P1451.4 標準定義了兩類混合模式接口，兩線接口和多線接口。

兩線接口，工作于恒流激勵下，或集成壓電電路（ICP）的傳感器，如加速度傳感器。用以在單一的線對上實現模擬信號和數字化TEDS 信號的復用，如圖3所示。

對于其他類型傳感器的另一種接口模式是，把模擬部分和數字部分分離開來。在傳感器的模擬輸入/輸出保持不變的基礎上，把數字化TEDS 并行添加到電路上。這樣在實質上就可以實現任何形式傳感器或激勵器的即插即用，包括熱電偶、熱敏電阻、電橋傳感器等。圖4示出了這種混合接口在電橋接口傳感器上的應用。

混合模式接口的數字部分是基于Maxim/Dallas公司的1Wire 協議上的。這是一種非常簡明、低成本的主從串行通信協議。此協議只需要一個主設備（例如，數據采集系統(tǒng)）用以供電以及根據特定的時序初始化各個節(jié)點的每次傳輸，并且這些操作的通信都是在一根導線上完成的。

　　多線混合模式的接口具有更普遍的通用性，因此本文將采用這種方式來實現傳感器的即插即用，并用Maxim/Dallas公司提供的1Wire 器件來存儲標準化傳感器電子數據表(TEDS)。與其他智能傳感器技術的即插即用相比，IEEE P1451.4 的獨特之處在于它保留了傳感器的模擬輸出。因此，IEEE P1451.4 傳感器可與包含傳統(tǒng)模擬接口的系統(tǒng)相兼容。

　　以基于電橋測量原理的傳感器為例，設計通用的調理電路，利用敏感電阻感受被測量的變化并轉變成電壓或電流信號。為了實現傳感器的即插即用，本系統(tǒng)的調理電路部分就必須具備自動調節(jié)功能。下位機主要是采用Motorola的DSP評估板DSP56311EVM為基本裝置，建立數據采集處理系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動時，采集傳感器識別信息，并且通過控制各個數字電位器和電子開關對調理電路進行正確的配置，以達到精確處理傳感器信號的目的，從而實現傳感器的即插即用。最后通過藍牙技術的無線網絡，實現傳感器之間的連接和數字通信。

2系統(tǒng)的硬件設計

　　即插即用傳感器測量系統(tǒng)在硬件設計方面，主要由以下幾個部分組成：傳感器單元包括傳統(tǒng)模擬傳感器和識別模塊(TEDS)、供電單元、信號調理單元、A/D轉換及接口，如圖5所示。

（1） 傳感器單元

　　采用Honeywell的24PCCFA6D型硅壓阻壓力傳感器。該傳感器的內部結構是在一個硅膜片上擴散出四個電阻。這四個電阻一般接成一個惠斯登電橋。識別模塊由一個低成本的內存芯片構成，內部儲存了標準化傳感器電子數據表(TEDS)。TEDS里儲存的是一些重要的傳感器信息和參數，可以進行自我辨認和自我描述。筆者采用Maxim/Dallas公司提供的DS2430A，來存儲用以配置傳感器的TEDS信息。

（2） 供電單元

　　對于同樣的惠斯登電橋，供電方式不同，測量效果不一樣。經過比較，恒壓源供電與溫度引起的阻值變化有關；而恒流源供電，輸出電壓只與橋臂上由壓力引起的變化量以及恒流源的大小和精度有關，與溫度無關。因此采用了與傳感器匹配的2 mA的恒流源供電，以達到靈敏度溫漂最小；但是采用恒流源對電橋供電時，會帶來輸出的共模信號過大的問題。過高的共模電壓很可能導致放大電路中的運放無法正常工作，為此在恒流源電路中加入了抑制共模電壓的電位器VR2，如圖6所示。實踐證明，改進后的恒流源電路電流輸出穩(wěn)定，并能很簡便地對傳感器的共模輸出進行調節(jié)，使系統(tǒng)工作正常。

（3） 信號調理單元

　　信號調理單元主要實現信號的采集和處理，其功能除了去除噪聲和干擾外，更為重要的一點是：為了能實現傳感器的即插即用，調理電路中的參數應能自動配置。在本系統(tǒng)中，通過多個非易失調節(jié)電位器DS1804，實現對調理電路的程序化控制，如調節(jié)放大倍數?？刂坪懔髟摧敵龅取V校準電位器DS1804是單路、非易失性、100級數字電位器。抽頭位置通過3個控制引腳調整:CS、INC和U/D。根據需要，還可以通過串行接口，將抽頭位置存儲到EEPROM中。

　　在硬件連接中，把所有數字電位器的INC和U/D分別連到DSP的PB4和PB5上，而把它們的選通信號CS接到其他幾個GPIO口上，通過CS的狀態(tài)，決定當前所要操縱的數字電位器。

（4） 信號采集單元

　　放大電路輸出是傳感器測得的壓力信號,為模擬信號，需要進行模/數轉換，再輸入DSP進行處理。根據傳感器本身的精度，考慮到實時性等因素，最終選擇了Maxim公司的MAX1065模數轉換器。對A/D轉換進行控制和數據采集的主要過程有：啟動轉換、轉換結束和數據讀取。

　　MAX1065 的硬件連接情況如圖7所示。在REF、REFADJ 兩個引腳與地之間，分別串入1個1 μF 和1個0.1 μF 的電容，就可以使用MAX1065 內部提供的4.096 V參考電壓對模擬信號進行轉換，不需要再外接參考電壓源，簡化了電路的設計，降低了成本。

（5）前端電路與DSP 的連接設計

　　DSP 作為整個系統(tǒng)的核心，要對來自各個方面的信息作最終的判斷和控制，因此接收信號和發(fā)出判斷都需要經過它的接口。主要使用的接口有：外部存儲器接口（PORT A）、串行接口（SCI）和通用輸入輸出接口(GPIO)。

　　外部存儲器接口是DSP 的特點之一。它可以方便地訪問DSP的各個外設，擴展內存映射I/O口；通過PORT A 的地址分配器可以指定外設的地址單元；通過訪問該地址空間，實現對外設的數據讀取和控制。

　　通過DSP的串行接口（SCI）實現藍牙模塊和DSP的連接。根據DSP接口的情況，選擇藍牙模塊的RS232連接方式。需要把DSP的串行接口SCI設置為符合RS232串口的數據傳輸方式。

　　DSP56311提供了34個雙向信號口，可以作為GPIO（GeneralPurpose Input/Output）信號配置或者作為外圍器件的專用信號。DSP56311 沒有提供專門的GPIO 信號，復位后為缺省狀態(tài)。上述34 個信號即為GPIO。在前端電路中，需要與DSP的GPIO口相連的器件主要有1Wire 存儲器DS2430A、A/D 芯片MAX1065以及幾個數字電位器DS1804。

3系統(tǒng)的軟件設計

　　基于硬件結構的設計搭建起來的測試系統(tǒng)，需要通過DSP 的軟件算法和上位機的軟件設計來實現。DSP 的軟件算法需要實現以下幾個功能：讀取標準化傳感器電子數據表（TEDS），控制并調整各個數字電位器，傳感器信號的采集和計算，對藍牙模塊的接口控制設計。上位機軟件的設計是為了達到對主藍牙單元的控制以及顯示最終測量結果，軟件流程如圖8所示。

在系統(tǒng)中，DS2430A 的主要作用是向微處理器提供儲存在其內部的TEDS。要實現與DS2430A 的通信，核心是掌握好1Wire 器件信號收發(fā)時序的問題。為了保證數據的完整性，DS2430A 對通信協議有很嚴格的要求。DS2430A 的通信協議主要包括四種信號類型：初始化信號（包括1個復位脈沖和1個應答脈沖），寫0，寫1，讀數據。這些信號中，除了應答脈沖以外，都是由總線控制單元發(fā)出的。

　　初始化信號：在一個復位脈沖后傳來的一個應答脈沖，表示DS2430A 已經準備好接收ROM 命令了。DSP 首先發(fā)出(TX)一個復位脈沖，然后釋放總線，轉為接收(RX)狀態(tài)。1Wire 總線通過上拉電阻被拉高至高電平狀態(tài)。DS2430A檢測到數據引腳的上升沿后，等待tPDH后，發(fā)出應答脈沖。

　　讀寫信號：所有的讀寫時序都是由DSP 拉低數據線開始的。數據線的下降沿會觸發(fā)DS2430A 內部的一個延時電路，使它與DSP 同步。在寫時序中，延時電路將決定DS2430A 何時對數據線進行采樣。對于讀時序，如果將要傳送的數據是“0”，延時電路將決定DS2430A 把已經被DSP 置高數據線拉低的時間長短；如果將要傳送的數據是“1”，DS2430A 將在讀時序內不改變數據線的狀態(tài)。

　　控制DS2430A 讀寫時序的子程序見本刊網站www.dpj.com.cn。

結語

　　本文重點研究了以壓力傳感器為例的即插即用傳感器：系統(tǒng)通過TEDS表中儲存的重要的傳感器信息和參數（制造商、型號以及傳感器的序列號，大多數TEDS 還描述了傳感器的主要特征，如量程、靈敏度、溫度系數、電氣接口等），準確地識別出與之相連的壓力傳感器，并根據識別模塊內所包含的信息準確配置前端電路?！凹床寮从谩眰鞲衅鞒绦虻哪繕耸莿?chuàng)造一個開放式傳感器標準，使系統(tǒng)集成商和終端用戶可以對傳感器進行自動設定測量和系統(tǒng)的自動控制。使用者可以下載TEDS 二進制文件或者虛擬TEDS 到其系統(tǒng)上，使原先的傳感器具有“即插即用”的功能。

　　本課題的另一重要意義在于，將無線通信技術應用于網絡化傳感器，使信號的連接突破了空間的限制。無線通信技術應用的擴展，給測量領域提供了更多新的選擇。在工業(yè)現場中，短程的無線連接有著廣泛的應用需求，將藍牙技術應用于工業(yè)現場，使用微波取代紅外，既克服了紅外的缺點，又降低了成本。