高性能单片机ADuC824及其在智能传感器中的应用

介绍了单片机ADuC824的性能特点和用于智能传感器时的功能实现方案，给出了ADuC824在DTP型智能压力传感器上的应用实例。
    关键词：单片机，ADuC824，智能传感器
　　

1　引　言
　　测控系统向自动化、智能化方向不断发展，这不仅对传感器的准确性、可靠性、稳定性要求越来越高，而且要求传感器应具备一定的数据处理能力，能够进行自动检测、自动校准和自动误差补偿。传统的传感器已不能满足这样的需要，而且仅靠改进材料工艺也很难满足要求。
　　计算机技术的迅猛发展使传感器技术发生了巨大变革，由微处理器和传感器相结合，产生了功能强大的智能传感器（Intelligent Sensor／SmartSensor）。所谓智能传感器，就是一种带有微处理器（或单片机）的，兼有信息检测，信号处理，信息记忆，逻辑思维与判断功能的传感器。在信息技术高速发展的今天，智能传感器的智能化和集成化将成为其发展的两个重要方向。而智能传感器的智能化和集成化的程度将主要取决于与之相结合的微处理器的性能。
　　ADuC824是美国AD公司新推出的一款非常灵活的高性能的单片机。将它与传感器相结合，可以构成高集成的智能传感器。
2　ADuC824的性能特点简介
　　ADuC824是一个片内资源非常丰富的单片机，其卓越的性能源于各种资源的独自特点，主要表现为：它以便于进行软件编程的8051为内核；集高分辨率的、具有24位／16位无丢失码、可直接接收来自传感器微弱信号的双路Σ－ΔADC，温度传感器，增益可编程放大器（PGA），8位MCU（Micro ProgrammedControl Unit），闪速／电擦除存储器（Flash／EEProgram Memory），看门狗定时器（WDT），电源监视器（PSM），以及SPI（SerialPeripheralInterface）和I2C（Inter Integrated Circuit）总线接口等资源于一身。ADuC824是一个完全可编程的、自校准、高精度的数据采集芯片。
3　ADuC824在智能传感器中的应用
　　如上所述，ADuC824是一个高度集成的高性能微转换器，其片内丰富的资源使其成为功能十分强大的高精度、宽动态范围的全集成的数据采集系统。符合IEEE1451．2标准的ADuC824在智能传感器领域有着广阔的应用前景。
3．1　硬件设计方案
    智能传感器主要由传感器、微处理器及其相关电路组成，其典型的结构如图1所示。

　　其工作原理是，传感器将被测的物理量转换成相应的电信号，送到信号调理电路中，进行滤波、放大、模－数转换后，送到微处理器中。微处理器是智能传感器的核心，它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。可见，微处理器的自身性能和集成极大地决定了智能传感器的多功能化和集成化程度。
　　图1中的信号调理电路和输出接口独立于微处理器之外，不但影响智能传感器的精度，而且不易于实现智能传感器的进一步集成。
　　现采用单片机ADuC824来构成智能传感器，由于它可直接接收来自传感器的微弱信号且集成度高、体积小（约1cm2大小，可直接放在传感器上），因此，可以大大简化结构，实现智能传感器的高度集成。同时，充分利用各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。其结构如图2所示。
 

3．2　ADuC824在智能压力传感器中的应用实例
　　图3是DSSP（Digital Sensor Signal Processing，数字传感器信号处理）结构的DTP（DigitalTemperature Pressure，数字温度压力）型智能压力传感器的结构框图。
 

　　DTP型智能压力传感器的硬件电路分为4大部分：电源模块，传感器模块，CPU模块和数据输出模块。
　　电源模块的功能是为集成芯片提供5V的工作电压。
　　传感器模块用来将被测物理量转换为相应的电压信号。其中，主传感器为压力传感器，它的作用是测量被测压力参数；辅助传感器为温度传感器和环境压力传感器。温度传感器的作用是检测主传感器工作时，由于环境温度变化或被测介质温度变化而使其压力敏感元件发生的温度变化，以便根据其温度变化修正与补偿温度变化对测量带来的误差。而环境压力传感器的作用是测量工作环境大气压变化，以便修正大气压变化对测量的影响。可见，这种智能式传感器需要具有较强的自适应能力，并可以判断工作环境因素的变化，进行必要的修正，保证测量的准确性。
    数据输出模块实现数据通信。CPU模块是整个传感器的核心。
　　在智能压力传感器中，CPU、A／D、D／A、EEPROM、WDT等芯片及其片外设备是必不可少的。由于ADuC824不仅将这些功能高度集成到一块芯片上，还集成了片内外设SPI和I2C串行接口，可以用RS－232指令格式传输数据，且其ADC可以直接接收来自传感器的微弱信号，因此，用单独一片ADuC824即可同时实现原CPU模块和数据输出模块的全部功能，完成对传感器输出的微弱信号进行放大、处理、存储和计算机通信。
　　图4为ADuC824与传感器模块及上位机的接口电路，ADuC824中的两个独立的主、辅ADC可以同时直接接收来自主、辅传感器的信号。若有多个辅助传感器（如温度传感器、环境压力传感器等），则可通过多路器与辅助ADC连接，利用定时中断进行数据采集。该系统以UART方式，通过RS－232标准接口与上位机通信。
 

　　系统软件采用模块化结构。限于篇幅，各软件模块的程序在此不作介绍。主程序和串行口中断通信服务程序的框图如图5所示。
 

3．3　系统实现的功能
　　该系统由于采用了ADuC824，可以实现多功能集成，主要表现为：逻辑判断、统计处理功能，自诊断、自校准功能，自适应、自调整功能，具有组态功能，优秀的记忆、存储功能，以及卓越的数据通讯功能。下面分别加以介绍。
3．3．1　逻辑判断、统计处理功能
　　ADuC824中与8051兼容的内核可对检测数据进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，提高了测量准确度。
3．3．2　自诊断、自校准功能
　　ADuC824中双路Σ－ΔADC模块含有失调校准和增益校准四个特殊功能寄存器，这些寄存器驱动校准逻辑，可在上电时采用硬件校准进行开机自检，确保始终能从ADC获得最佳性能。另外，用户还可以通过软件对器件的校准条件进行初始化，以适应特定的工作条件。在ADC输入通道中接入传感器烧通电流，可在工作中进行测量前对转换器的状态实现自检，并可实时自行诊断、测试，以确定哪一组件有故障，提高了测量的准确性和工作可靠性。
3．3．3　自适应、自调整功能
　　ADuC824中的主ADC含有可编程增益放大器（PGA），可以编程选择±20mV～±2．56V之间8档输入量程。用户可以根据待测物理量的数值大小、误差要求及变化情况，通过编制软件自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性和灵活性。
3．3．4　具有组态功能
　　ADuC824具有通道独立的双路Σ－ΔADC，即，主通道ADC和辅助通道ADC。主通道用于接收并转换主传感器的输入信号；辅助通道可用来接收并转换辅助传感器（如温度传感器）的输入信号。与多路模拟器（MUX）配合可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用范围。
3．3．5　优秀的记忆、存储功能
　　ADuC824片内集成的8Kbyte闪速／电擦除程序存储器和640byte闪速／电擦除数据存储器为用户提供了非易失性、在线可编程的程序和数据存储空间。闪速／电擦除存储器是基于单个晶体管单元结构的最新类型的存储器，是在EEPROM技术基础上发展的产物，它既具有ROM的非易失信息的优点，又兼有EEPROM灵活的在线可编程的特点，并且还组合了EPROM的大容量、高密度的特点。同时，又能像RAM一样随机地进行读写，从而实现检测数据的随时存取，
加快了信息的处理速度。
3．3．6　卓越的数据通讯功能
　　ADuC824片内具有工业标准的同步串行接口（SPI）和I2C总线接口，它们构成智能化传感器的数据通讯接口。可通过编程与计算机或其它微处理器直接联机，进行信息的相互交换，实现对多点智能传感器的控制，提高信息处理的质量。
　　由ADuC824构成的智能传感器可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现的功能，并且以软件代替部分硬件，可降低传感器的制作难度。
　　由此可见，使用ADuC824后不但大大减少了元器件的数量和线路板面积，降低了产品成本，而且由于集成度的提高也使可靠性得以提高。在软件编程上，因为不需编写与这些芯片的接口程序，所以，编程的工作量降低，程序运行速度更快。
4　结束语
　　具有丰富的片内资源的ADuC824可广泛用于智能传感器／变送器、智能仪表、称重仪、压力测量、便携式设备等领域。它代表了当今单片机的发展方向，即，针对不同的应用领域，将大部分功能高度集成在一个单片内。这样，用户在进行单片机系统的设计时，将主要是选择合适的单片机和编写相应的软件，而系统外部电路设计将变得非常容易。