基于片上系統芯片的傳感器模塊軟硬件設計

概述: 本文對研制的傳感器模塊進行了全面的介紹，本系統的研究為IEEE1451網絡化智能傳感器的研究奠定了一定的基礎，為開發各種標準化的IEEE1451傳感器模塊STIM提供了范例。

　　1 引言

　　隨著網絡時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在企業中日益增多，為此，將計算機網絡技術和智能傳感器技術相結合就有必要和可能。智能傳感器網絡概念由此而產生。智能傳感器網絡化技術致力于研究智能傳感器的網絡通信功能，將傳感器技術，通信技術和計算機技術融合，實現信息的采集、傳輸和處理真正統一和協同。本文研制了一種基于片上系統芯片的傳感器模塊軟硬件設計。

　　2 傳感器模塊硬件系統結構

　　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、信號調理模塊、多通道數據采集模塊、TEDS模塊及TII智能接口等部分。為了增強系統的集成度，設計采用了集成式的片上數據采集系統ADUC812。

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　　傳感器的輸出信號經調理模塊放大調理，輸入至ADUC812片內的多通道ADC，ADC對相應通道模數轉換后，存儲于RAM中，然后通過TII智能接口將數據讀入NCAP。為了方便TEDS內容的升級與更新，系統采用異步串行口來下載電子數據表格至ADUC812的片內FLASH。此外，異步串行口還可用來下載和調試用戶程序，方便系統開發。

　　3 傳感器系統硬件詳細設計

　　3.1 STIM傳感器前端信號采集電路設計

　　溫度傳感器采用AD公司的AD590芯片實現的，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受溫度變化產生電流信號時，在電阻R1兩端產生電勢差，從而在運放輸入端產生電壓信號，由加法電路進行調節零點漂移；由運放OP07進行比例放大，放大倍數由電位器R6調節，使測試溫度范圍在0~65℃，輸出電壓相應為0~2.5V。

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　　3.2 復位電路設計

　　ADUC812需要外接POR(Power-on reset，上電復位)電路。上電復位電路在電源電壓低于2.5V時，要使RESET引腳保持高電平；而且，在電源電壓高于2.5V時，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設計的POR電路。ADM810是CMOS監控電路芯片，能夠監控電源電壓、電源故障和微處理器的工作狀態。復位信號RESET用于啟動或重新啟動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位門(4.65V)以上，在超過此門限后，內部定時器大約再維持200ms后釋放RESET，使其返回低電平。無論何時，只要電源電壓降低到復位門限以下(即電源跌落)，RESET引腳就會變高，如果在已經開始的復位脈沖期間出現電源跌落，復位脈沖至少再維持140ms。在掉電期間，一旦電源電壓VCC降到復位門限以下，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接口是硬件設計的重點，該接口不是一種額外的網絡協議，而是連接NCAP和STIM的接口，主要定義二者之間的點對點連接，同步時鐘的短距離接口。TII是基于SPI協議的串口通信接口，其中DIN，DOUT，DCLK和NIOE完成通訊功能，NTRIG和NACK實現與STIM有關的通道讀寫、觸發和應答，STIM使用NINT信號要求從NCAP得到服務，NCAP使用NSDET信號檢測STIM模塊，實現STIM的即插即用。系統采用ADUC812的SPI總線和其它的I/O資源來模擬實現TII十線接口。連接示意圖如圖3所示。為了實現STIM模塊的熱插拔，需對TII接口的供電電源進行處理，可以在STIM方面加入熱插拔保護電路，當然也可以在NCAP方面加入保護電路。本系統在NCAP方面加入了保護電路。

　　3.4 信號調理存儲電路設計

　　數據采集系統的設計過程中，輸入數據采集系統的電信號與ADC的輸入范圍并不一定匹配，因而，一般不直接送入ADC進行轉換，必需對輸入的信號進行信號調理，經過信號調理后的模擬信號符合ADC的要求。將傳感器送來的信號送入放大器OPA4350，此時放大器OPA4350形成一個電壓跟隨器，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輸入ADUC812控制器的AD轉換通道進行數據采集。

　　由于ADUC812內部只有256字節數據RAM，因此，需外擴大容量RAM，在此選用了IS61C256，擴展了32K數據區。考慮到ADUC812內部集成了640字節FLASH，可以作為電子數據表格的存儲區，所以無需外擴FLASH存儲器。

　　3.5 在線下載與調試

　　程序存儲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的第三方提供的閃速或EEPROM器件編程器完全兼容，但應用起來較復雜，需要對ADUC812中支持并行編程所需的外部引腳進行配置。所以，在本模塊的開發和調試過程中采用的是串行下載模式。作為工廠引導代碼的一部分，ADUC812本身具有在線編程的程序，使經過標準UART串行接口實現串行代碼下載變得容易，只需通過一個與地相連的1kΩ電阻將ADUC812的/PSEN引腳拉至低電平，那么上電時器件將自動進入串行下載模式。本系統使用圖4的RS-232接口電路，從而實現上位機與ADUC812的串行接口通信。

　　4 傳感器模塊軟件設計

　　程序軟件是系統的靈魂，系統依靠程序軟件的運行實現傳感器模塊的所有功能。程序軟件的合理設計可以有效的發揮擴展系統硬件的功能。本模塊的軟件設計模型的結構化來自于IEEE1451.2標準的結構。系統的處理器是與51系列單片機兼容的ADUC812，可以采用面向MCS-51的程序設計語言，包括ASM51匯編語言和C51高級語言。與以往的80C51單片機不同，ADUC812具有在線調試和下載功能，它由支持ADUC812的開發工具包Quickstart開發系統來提供。也就是說，在用戶系統保留ADUC812的情況下，通過開發系統與ADUC812的串行接口通信，直接對用戶系統進行調試。

　　1、STIM的軟件模塊。

　　STIM必須包含一個TEDS、控制與狀態寄存器、通道、中斷標志、地址和函數編譯邏輯、數據傳輸與處理函數，觸發和觸發承認函數、一個TII驅動和一個傳感器接口。IEEE1451.2STIM的軟件分了四個主要部分:(1)傳感器接口STIM模塊；(2)傳感器獨立接口TII模塊；(3)電子數據表格TEDS模塊；(4)地址與函數功能模塊。

　　2、數據采集程序。

　　為了使數據采集系統得到高精度的數據，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，如對供電電源進行嚴格穩壓處理，對ADC輸入信號進行RC高頻濾波，采用高精度、高穩定度的ADC基準源，采用高精度的傳感器等等，同時軟件上的優化也相當重要，合適的軟件設計能進一步提高精度，提高數據采集系統整體性能。

　　3、TEDS下載程序。

　　本系統的TEDS下載程序是RS232串行通訊程序，分為單片機程序和上位機程序兩部分組成。這里研究單片機程序的開發。PC機和單片機之間要實現串行通信，除了要遵守RS232串行通訊協議外，還必須具有各自的通信應用軟件。通信軟件的設計思路是：PC機為主動方式，在通訊開始后由PC機向單片機發送請求，單片機返回應答信號，通訊正常后，單片機根據PC機發送來的命令，執行相應功能并應答。單片機流程圖如圖5。

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　　5 系統測試

　　本測試系統的大體設計思路是：以ADUC812作為下位機，當接收到上位機的指令采集數據，通過串口將采集到的數據傳給上位機，上位機將得到的測試數據很容易被轉化成直觀的圖表等形式，并可以保存于計算機中以便將來使用。本系統需要為單片機和上位機分別編制軟件，以實現數據的溝通，本系統采用VB來編寫上位機的程序，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據。而且，VB的程序通俗易懂，移植性較強，開發簡單、周期短，繪圖功能強大，特別適合應用到需要繪制曲線的系統。