基于IEEEl451标准接口的智能传感器硬件设计

1 引言
    微处理器带来的数字化革命到虚拟仪器的飞速发展．对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求越来越高，传统的传感器已不能适应多种测试要求，随着微处理智能技术和微机械加工技术在传感器上的应用，智能传感器(Smart Sen—sor)诞生了。所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器实现的途径一般有3种方式：①非集成化实现是将传统的经典传感器、信号调理电路、带数字接口的微处理器组合为一整体，而构成的一个智能传感器系统。②集成化实现的传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元，并把其集成到一块芯片上构成。固又称为集成智能传感器。③混合实现是根据需要，将系统各个集成化环节，如：敏感单元、信号调理电路、微处理单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。这里采用非集成化实现的方式。
    IEEE1451是一种新的通用智能化传感器接口标准。IEEE1451标准为即插即用智能传感器与现有的各种总线提供了通用的接口标准。IEEE标准的提出，为提高全球范围内传感器技术水平提供了坚实的基础，为测试系统的智能化提供了基本前提。在设计中，基于IEEEl45l.4标准提出了一种新的接口，使传感器既可以输出模拟信号也可也输出数字信号，使得普通的传感器可以实现智能化。

2 智能传感器的硬件设计
    硬件设计主要介绍信号调理模块、A／D转换模块、数据通信模块3个模块。传感器采用加速度传感器ADXL250，ADXL250是ADI公司推出的低噪声、低功耗的二维加速度计。它是利用ADI公司创始的微电子机械系统MEMS技术制造的。中央微处理器采用C805lF060，其内部集成2个16位 SAR(逐次逼近型)A／D转换器，8通道10位SAR A／D转换器，可完成模拟信号模数转换功能，是整个系统的控制、通讯核心。一方面它对传感器输出的信号进行采集、转换，另一方面中央处理器对EEPROM实现数据传输。中央微处理器包含一个可编程内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，为了减小系统功耗和体积，采用可编程内部振荡器。大多数情况下，从传感器中输出的电信号不能直接送入模数转换器，要经过必要的信号调理电路进行适当的调理，使信号在模数转换电压范围之内，然后经过信号滤波电路，滤掉信号中的杂波成分，才能使其在形式、幅度、信噪比、转换灵敏度和精度等方面达到中央处理器的要求，以提高传感器数字化后的精度。智能传感器硬件设计中，加速度模拟信号经过分压、跟随及滤波等处理后，再进入A／D转换器进行A／D转换，其调理电路框图如图1所示。

    加速度计输出电压为：

   
    式中：Vs为供电电压，单位为V；Sensitivity为输出的加速度灵敏度，单位为mV／g。ADXL250的灵敏度为38 mV／g；a为输入的加速度，单位为g。
    经过计算输出电压范围为0．9～4．4 V。因为A／D转换器所能采集的电压范围为0～2．4 V，所以必须对加速度信号进行分压，才能正确地被A／D转换器进行模数转换。分压电路采用简单的电阻分压，并用运算放大器进行跟随。分压处理后，输出的加速度信号范围为0．45～2．2V，满足A／D转换器的采集范围。设计中选择了1 MΩ的分压大电阻进行分压，这样做的好处是能提高系统的输入阻抗，减小由于输入阻抗过低对加速度信号的影响。
    滤波是对传感器信号分压后进行的模拟滤波处理。设计中采用集成开关电容滤波器MAX291对传感器信号进行模拟滤波。MAX291是MAXIM公司生产的8阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器。MAX291的可靠性和稳定性高，避免了分立元件的各种误差、漂移影响。它的3 dB截止频率可在0．1～25 Hz之间选择，具有固定的归一化频率响应。时钟频率fCLK与截止频率fC的比值为100：1；噪声低，典型值为一70 dB THD+Noise。如果直接利用MAX291的内部时钟振荡器，只需外接一只电容，其电容值和3 dB截止频率则满足：

   
    设计中直接采用MAX291内部振荡器，外接0．1μF的电容。图2是滤波电路的滤波效果对比图。

    在设计中由于系统紧凑性设计的特殊需要，选用微处理器集成的模数转换器，同时也节约了成本。C8051F060的A／D转换器系统包括两个lMs／s、16位分辨率的逐次逼近寄存器型A／D转换器，A／D转换器中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DMA接口。为了提高传感器信号采集精度，这里A／D转换采用内部电压基准，可以通过相应的控制寄存器进行配置。内部电压基准电路由一个温度稳定性好的1．2 V带隙电压基准发生器和一个2倍增益的输出缓冲放大器组成。ADCO的电压基准电路由基准控制寄存器REFOCN控制。REFOCN寄存器用于独立地使能／禁止ADCO的内部基准和偏置发生器电路。BIASE0位使能ADC0的内部偏置发生器。该位为‘1’时，ADC0内部偏压发生器工作。设计中使用的是ADC0内部电压基准，则必须使ADC0所对应的BLASE0和REFBEO位都被置‘1’，内部2．4 V电压基准输出到VREFO引脚。VREF0引脚对AGND的最大负载必须小于100μA，应在VREF0引脚与VRGND0之间接入0．1μF和47μF的旁路电容。使用ADC0时，应将ADCO电压基准接地引脚VRGNDO接地．经过上述合理的设计后，系统中测得的电压基准约为2．44 V。ADCO的最高转换速度为1 Ms／s，转换时钟来自系统时钟分频，寄存器ADCOCF中的ADCOSC位决定每个转换时钟为多少个系统时钟(1～16)。ADCO有4种转换启动方式，由ADCOCN中的ADC0启动转换方式位(ADOCMl，AD0CM0)的状态决定。转换触发源有：
    ①向ADCOCN的AD0BUSY位写1；
    ②定时器3溢出(即定时的连续转换)；
    ③外部A／D转换器转换启动信号CNVSTR0的上升沿；
    ④定时器2溢出(即定时的连续转换)。
    其中第3种为外部触发源，另外3种为内部触发源。ADOBUSY位在转换期间被置‘1’，转换结束后复‘O’。ADOBUSY位的下降沿触发中断并将中断标志ADOINT(ADCOCN．5)置‘1’。在单端方式下，ADC0的转换数据被保存在ADC0数据字的MSB和LSB寄存器：ADCOH和ADCOL。当通过向ADOBUSY写‘1’启动数据转换时，应查询ADOINT。位以确定转换何时结束。A／D转换流程如图3所示。

    在设计中，数据的通信是创新点。IEEEl451.4标准的接口要求既能输出模拟信号，又能输出数字信号。同时能自动识别传感器的类型，通过软件的控制可以对传感器进行校准。根据这个要求，设计了另外一种混合接口，如图4所示。通过这个接口，既能输出模拟信号，又能输出数字信号。模拟信号即传感器直接输出经过调理后的信号。数字信号包括两种信号，一种是RS422电平的信号，用D+，D-表示，另外一种数字信号是C8051F060从EEPROM中读出的TEDS信号，在此用DAT表示。EEPROM采用Dallas Semiconductor生产的DS2431作为TEDS的信息存储器，DS2431为1024位可编程只读存储器，可识别和储存与之相适应产品的有关信息。这些系列或产品的指定信息能通过最小的接口访问，比如微控制器的一个端口引脚。在设计中，DS243l的DAT引脚与C8051F060的P2．7口相连。通信过程中，C8051F060与DS2431的通讯通过单线协议进行。DS2431的主要作用是向微处理器提供储存在其内部的TEDS。要实现与DS2431的通信，核心是掌握好1一Wire器件信号收发时序的问题。为了保证数据的完整性，DS243l对通信协议有很严格的要求。DS2431的通信协议主要包括4种信号类型：初始化信号(包括1个复位脉冲和1个应答脉冲)，写O，写1，读数据。这些信号中，除了应答脉冲以外，都是由总线控制单元发出。为保证数据可靠的传输，任何时刻单总线上只能有一个数据，每次数据和命令传输通常从复位命令开始，随后是ROM命令和RAM命令，最后进行数据交换，必须严格遵守这个命令序列，才能保证数据的正确传输。

3 结语
    在充分研究IEEEl451．4标准接口的基础上，完成了智能传感器的硬件电路设计。通过实验，从控制软件上可以收到传感器输出的信号，所提出电路设计方案切实可行。