基于STM32的傳感器接口模塊的設計

摘要：基于STM32實(shí)現了電流型、電壓型以及數字IO型傳感器接口模塊；進(jìn)行了接口模塊的軟件設計，說(shuō)明了詳細的固件代碼設計。除傳統串口外，提供以太網(wǎng)接口，嵌入UDP協(xié)議，提供后期開(kāi)發(fā)的便利接口。
關(guān)鍵詞：信號接口；傳感器接口模塊；UDP協(xié)議

0 引言
物聯(lián)網(wǎng)將會(huì )是未來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間內IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)系統的構成或產(chǎn)業(yè)鏈的劃分，目前業(yè)界比較統一的觀(guān)點(diǎn)基本都認為應該包括三個(gè)層面：末端設備或子系統、通信連接系統、以及管理和應用系統。即Device-設備、Connect-連接和Manage-管理。由于數字整合的需求日益增長(cháng)，對作為感知層核心組成元素的傳感器數據融合提出了更高要求。如何將傳感器連入網(wǎng)絡(luò )成為一個(gè)尤其重要的問(wèn)題。

傳感器通過(guò)接口模塊接入到相應網(wǎng)絡(luò )。傳感器通過(guò)信號接口連接到接口模塊，節點(diǎn)以相應的適配模塊接收和處理傳感器輸出信號，并將傳感器原始數據轉換為網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)可以識別的信息，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信接口連接到上位機或者任何網(wǎng)絡(luò )。
傳感器感知外部環(huán)境，某種敏感變量如電阻、電荷之類(lèi)參量發(fā)生變化，然后經(jīng)過(guò)信號處理，產(chǎn)生可供AD轉換的電壓或電流信號(目前ADC應用主要還是電壓輸入，電流模式ADC尚未大規模應用)，而后經(jīng)AD轉換為可供處理的數字信號。由于在不同應用場(chǎng)合中會(huì )使用到針對上述不同層次接口的傳感器，故信號接口標準針對不同層次設計：
層次1：需經(jīng)過(guò)信號調理然后才能輸入AD處理，如熱電阻、4～20mA電流輸出；
層次2：直接符合AD輸入要求的，如0～5V電壓輸出；
層次3：數字信號輸出，如開(kāi)關(guān)量、RS232接口輸出；如圖2所示。

直接輸出可以連入網(wǎng)絡(luò )的接口，比如現場(chǎng)總線(xiàn)接口(如CAN、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng))、無(wú)線(xiàn)通信接口(如Zigbee、WI-FI)等一般無(wú)需考慮信號接口的問(wèn)題，如需連入不同網(wǎng)絡(luò )可以使用相應的網(wǎng)關(guān)(如CAN轉以太網(wǎng))。
基于此分類(lèi)依據，傳感器輸出信號一般有電壓信號、電流信號、電阻信號、頻率信號、脈沖信號、數字電平信號等。

1 傳感器接口模塊設計概述
從功能上來(lái)講，接口模塊需要完成傳感器與應用網(wǎng)絡(luò )之間的連接，解決傳感器的異構性帶來(lái)的諸多問(wèn)題，完成從原始信號到數據的數據流過(guò)程?？偟膩?lái)說(shuō)包括傳感器接入及激勵、信號調理、AD轉換／數字濾波、數據處理和網(wǎng)絡(luò )通信。不同信號輸入類(lèi)型的接口模塊在整體功能上是類(lèi)似的，主要不同在于信號調理部分，以及AD轉換的不同要求。接口模塊整體功能如圖3所示。

信號調理針對不同信號類(lèi)型設計。傳感器原始輸出的標準信號接入后，經(jīng)過(guò)信號調理后生成可供ADC處理的信號。有的傳感器還需提供激勵源。
ADC依據不同應用需求所需的通道數、精度、速度進(jìn)行選擇?？蛇x擇外置ADC，系統要求不高或者在一些特殊場(chǎng)合也可使用SOC片上系統的內置ADC(比如TI的MSC1210系列MCU內置24bit sigma-delta ADC，尤其適合處理微弱信號)。
另外需要外擴存儲器存儲與傳感器或者接口模塊相關(guān)的描述信息，一般可使用EEPROM。鑒于此功能，存儲模塊芯片的選取就得考慮總線(xiàn)讀寫(xiě)速度以及可編程性。由于需要在標準化接口模塊正常工作的同時(shí)修改Flash中的電子表單，所以存儲芯片得支持IAP(在應用編程)功能。
整個(gè)模塊的核心處理器為MCU或者FPGA，負責對整個(gè)模塊的邏輯進(jìn)行控制，可根據不同應用要求選擇8位單片機或者高性能ARM處理器或者FPGA可重配置芯片。
網(wǎng)絡(luò )通訊采用可根據不同應用場(chǎng)合選取不同接口，比如RS485總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)、Ethemet、WiFi等?？芍С侄鄠€(gè)接口模塊，主機可對從模塊進(jìn)行配置，可自由添加模塊。