基于IEEE1451標準接口的智能傳感器硬件設計

　　1 引言

　　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。