基于IEEEl451標準接口的智能傳感器硬件設計
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微處理器帶來(lái)的數字化革命到虛擬儀器的飛速發(fā)展．對傳感器的綜合精度、穩定可靠性和響應要求越來(lái)越高，傳統的傳感器已不能適應多種測試要求，隨著(zhù)微處理智能技術(shù)和微機械加工技術(shù)在傳感器上的應用，智能傳感器(Smart Sen―sor)誕生了。所謂智能傳感器，就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。智能傳感器實(shí)現的途徑一般有3種方式：①非集成化實(shí)現是將傳統的經(jīng)典傳感器、信號調理電路、帶數字接口的微處理器組合為一整體，而構成的一個(gè)智能傳感器系統。②集成化實(shí)現的傳感器系統是采用微機械加工技術(shù)和大規模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料制作敏感元件、信號調理電路、微處理單元，并把其集成到一塊芯片上構成。固又稱(chēng)為集成智能傳感器。③混合實(shí)現是根據需要，將系統各個(gè)集成化環(huán)節，如：敏感單元、信號調理電路、微處理單元、數字總線(xiàn)接口，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里。這里采用非集成化實(shí)現的方式。
IEEE1451是一種新的通用智能化傳感器接口標準。IEEE1451標準為即插即用智能傳感器與現有的各種總線(xiàn)提供了通用的接口標準。IEEE標準的提出，為提高全球范圍內傳感器技術(shù)水平提供了堅實(shí)的基礎，為測試系統的智能化提供了基本前提。在設計中，基于IEEEl45l.4標準提出了一種新的接口，使傳感器既可以輸出模擬信號也可也輸出數字信號，使得普通的傳感器可以實(shí)現智能化。
2 智能傳感器的硬件設計
硬件設計主要介紹信號調理模塊、A／D轉換模塊、數據通信模塊3個(gè)模塊。傳感器采用加速度傳感器ADXL250，ADXL250是ADI公司推出的低噪聲、低功耗的二維加速度計。它是利用ADI公司創(chuàng )始的微電子機械系統MEMS技術(shù)制造的。中央微處理器采用C805lF060，其內部集成2個(gè)16位 SAR(逐次逼近型)A／D轉換器，8通道10位SAR A／D轉換器，可完成模擬信號模數轉換功能，是整個(gè)系統的控制、通訊核心。一方面它對傳感器輸出的信號進(jìn)行采集、轉換，另一方面中央處理器對EEPROM實(shí)現數據傳輸。中央微處理器包含一個(gè)可編程內部振蕩器和一個(gè)外部振蕩器驅動(dòng)電路，為了減小系統功耗和體積，采用可編程內部振蕩器。大多數情況下，從傳感器中輸出的電信號不能直接送入模數轉換器，要經(jīng)過(guò)必要的信號調理電路進(jìn)行適當的調理，使信號在模數轉換電壓范圍之內，然后經(jīng)過(guò)信號濾波電路，濾掉信號中的雜波成分，才能使其在形式、幅度、信噪比、轉換靈敏度和精度等方面達到中央處理器的要求，以提高傳感器數字化后的精度。智能傳感器硬件設計中，加速度模擬信號經(jīng)過(guò)分壓、跟隨及濾波等處理后，再進(jìn)入A／D轉換器進(jìn)行A／D轉換，其調理電路框圖如圖1所示。
加速度計輸出電壓為：
式中：Vs為供電電壓，單位為V；Sensitivity為輸出的加速度靈敏度，單位為mV／g。ADXL250的靈敏度為38 mV／g；a為輸入的加速度，單位為g。
經(jīng)過(guò)計算輸出電壓范圍為0．9～4．4 V。因為A／D轉換器所能采集的電壓范圍為0～2．4 V，所以必須對加速度信號進(jìn)行分壓，才能正確地被A／D轉換器進(jìn)行模數轉換。分壓電路采用簡(jiǎn)單的電阻分壓，并用運算放大器進(jìn)行跟隨。分壓處理后，輸出的加速度信號范圍為0．45～2．2V，滿(mǎn)足A／D轉換器的采集范圍。設計中選擇了1 MΩ的分壓大電阻進(jìn)行分壓，這樣做的好處是能提高系統的輸入阻抗，減小由于輸入阻抗過(guò)低對加速度信號的影響。
濾波是對傳感器信號分壓后進(jìn)行的模擬濾波處理。設計中采用集成開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX291對傳感器信號進(jìn)行模擬濾波。MAX291是MAXIM公司生產(chǎn)的8階巴特沃斯型開(kāi)關(guān)電容式有源低通濾波器。MAX291的可靠性和穩定性高，避免了分立元件的各種誤差、漂移影響。它的3 dB截止頻率可在0．1～25 Hz之間選擇，具有固定的歸一化頻率響應。時(shí)鐘頻率fCLK與截止頻率fC的比值為100：1；噪聲低，典型值為一70 dB THD+Noise。如果直接利用MAX291的內部時(shí)鐘振蕩器，只需外接一只電容，其電容值和3 dB截止頻率則滿(mǎn)足：
設計中直接采用MAX291內部振蕩器，外接0．1μF的電容。圖2是濾波電路的濾波效果對比圖。
在設計中由于系統緊湊性設計的特殊需要，選用微處理器集成的模數轉換器，同時(shí)也節約了成本。C8051F060的A／D轉換器系統包括兩個(gè)lMs／s、16位分辨率的逐次逼近寄存器型A／D轉換器，A／D轉換器中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和DMA接口。為了提高傳感器信號采集精度，這里A／D轉換采用內部電壓基準，可以通過(guò)相應的控制寄存器進(jìn)行配置。內部電壓基準電路由一個(gè)溫度穩定性好的1．2 V帶隙電壓基準發(fā)生器和一個(gè)2倍增益的輸出緩沖放大器組成。ADCO的電壓基準電路由基準控制寄存器REFOCN控制。REFOCN寄存器用于獨立地使能／禁止ADCO的內部基準和偏置發(fā)生器電路。BIASE0位使能ADC0的內部偏置發(fā)生器。該位為‘1’時(shí)，ADC0內部偏壓發(fā)生器工作。設計中使用的是ADC0內部電壓基準，則必須使ADC0所對應的BLASE0和REFBEO位都被置‘1’，內部2．4 V電壓基準輸出到VREFO引腳。VREF0引腳對AGND的最大負載必須小于100μA，應在VREF0引腳與VRGND0之間接入0．1μF和47μF的旁路電容。使用ADC0時(shí)，應將ADCO電壓基準接地引腳VRGNDO接地．經(jīng)過(guò)上述合理的設計后，系統中測得的電壓基準約為2．44 V。ADCO的最高轉換速度為1 Ms／s，轉換時(shí)鐘來(lái)自系統時(shí)鐘分頻，寄存器ADCOCF中的ADCOSC位決定每個(gè)轉換時(shí)鐘為多少個(gè)系統時(shí)鐘(1～16)。ADCO有4種轉換啟動(dòng)方式，由ADCOCN中的ADC0啟動(dòng)轉換方式位(ADOCMl，AD0CM0)的狀態(tài)決定。轉換觸發(fā)源有：
①向ADCOCN的AD0BUSY位寫(xiě)1；
②定時(shí)器3溢出(即定時(shí)的連續轉換)；
③外部A／D轉換器轉換啟動(dòng)信號CNVSTR0的上升沿；
④定時(shí)器2溢出(即定時(shí)的連續轉換)。
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