基于MC9S08SH4和AD7705的智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于mc9s08sh4和ad7705的智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)近年來(lái)隨著技術(shù)和信息處理技術(shù)的迅速進(jìn)展，工程應(yīng)用中對(duì)傳感器的測(cè)量精度、數(shù)據(jù)傳輸距離和信息處理能力都提出了更高的要求。為了克服一般力敏、光敏傳感器抗干擾能力差、傳輸距離短、調(diào)零難、測(cè)量節(jié)點(diǎn)無(wú)法挺直與上位機(jī)通信等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種以 mc9s08sh4和ad7705為核心構(gòu)成的智能傳感器系統(tǒng)，在一般傳感器上增強(qiáng)了軟件調(diào)零、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)補(bǔ)償、與上位機(jī)雙向通訊、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出等功能，可以很便利地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，并具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。1 系統(tǒng)組成智能傳感器系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理、a/d轉(zhuǎn)換電路、主控電路、

2、調(diào)零電路、rs-485通信電路和電源電路等模塊組成。其中信號(hào)調(diào)理模塊負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸出的mv級(jí)差分信號(hào)舉行調(diào)理和放大；a/d轉(zhuǎn)換模塊將信號(hào)調(diào)理模塊輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供處理；調(diào)零模塊可以在隨意時(shí)刻將當(dāng)前的輸入值設(shè)置為參考零點(diǎn)；rs-485通信模塊實(shí)現(xiàn)主控電路與上位機(jī)之間的通信；為主控電路、傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊和rs-485通信模塊提供電源。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1所示。2 功能模塊設(shè)計(jì)2.1 信號(hào)調(diào)理和a/d轉(zhuǎn)換模塊傳感器的輸出信號(hào)普通為mv級(jí)的差分信號(hào)，傳統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路是在a/d轉(zhuǎn)換前加一級(jí)或多級(jí)高精度的放大電路，這樣不但增強(qiáng)了成本，電路也較為復(fù)雜。而ad7705具有完整的,內(nèi)置增益可編程(pga

3、)和可編程數(shù)字，能挺直對(duì)傳感器輸出的mv級(jí)信號(hào)舉行調(diào)理、濾波、放大和a/d轉(zhuǎn)換，然后串行輸出，無(wú)需用法外部?jī)x表放大器，極大地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。ad7705的a/d轉(zhuǎn)換功能也很強(qiáng),其采納的-轉(zhuǎn)換技術(shù)最高可實(shí)現(xiàn)16位無(wú)誤碼傳輸。在本次設(shè)計(jì)中，ad7705的兩個(gè)全差分模擬輸入通道可以同時(shí)滿足兩路傳感器輸出信號(hào)的輸入,通過(guò)軟件編程可以便利地對(duì)信號(hào)增益、極性、輸入通道、數(shù)據(jù)輸出更新率和數(shù)字濾波器舉行設(shè)置。ad7705電路模塊2所示。其中，傳感器輸出信號(hào)挺直接入ad7705的差分模擬輸入通道ain1端。2.2 主控模塊智能傳感器系統(tǒng)的主控mcu選用的是mc9s08sh4，屬于freescale公司s08系列

4、8位單片機(jī)，具有體積小、速度快，片上資源豐盛、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其最大時(shí)鐘頻率為20 mhz，片上資源包括4 kb flash、512 b ram、8路鍵盤(pán)中斷、sci接口、spi接口、iic等模塊，采納tssop16封裝，尺寸很小，十分適用于本系統(tǒng)。為了盡量減小電路板面積，本次設(shè)計(jì)中mc9s08sh4的編程接口沒(méi)有用法標(biāo)準(zhǔn)的6芯bdm接口，而采納自定義的4芯接口，最小系統(tǒng)3所示。2.3 調(diào)零模塊調(diào)零模塊有兩個(gè)作用，一是在每次測(cè)量前讓傳感器歸零，二是在測(cè)量過(guò)程中即時(shí)設(shè)置參考零點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)零辦法是在電路中增強(qiáng)一個(gè)電位器，利用轉(zhuǎn)變分壓值的辦法舉行調(diào)零。這種辦法調(diào)整速度很慢，精確性也比較差。

5、本設(shè)計(jì)中采納的是軟件調(diào)零辦法，首先利用鍵盤(pán)中斷采集傳感器零輸入時(shí)的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果作為參考零點(diǎn)，并存放到一個(gè)全局變量中；以后每次a/d轉(zhuǎn)換的值都與全局變量中的參考零點(diǎn)相比較，即可得到校正后的結(jié)果。軟件調(diào)零辦法精確度高、調(diào)整速度十分快，特殊適用于在測(cè)量過(guò)程中即時(shí)設(shè)置參考零點(diǎn)。2.4 rs-485通信模塊系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信采納rs-485通信協(xié)議。在實(shí)際應(yīng)用中，一臺(tái)上位機(jī)需要拖掛多個(gè)傳感器，并且對(duì)傳輸距離有較高的要求。rs-485串行總線接口采納平衡發(fā)送和差分接收的方式舉行數(shù)據(jù)通信，較rs-232提高了抗共模干擾能力和傳輸距離；并且rs-485總線能用于多個(gè)帶有rs-485接口的設(shè)備互連，實(shí)現(xiàn)數(shù)

6、據(jù)的高速遠(yuǎn)距離傳送。本系統(tǒng)中采納的rs-485通信芯片為max1487,輸入口di和輸出口ro分離和mc9s08sh4的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端txd和串行數(shù)據(jù)接收端rxd相連。讀寫(xiě)使能端銜接在一起，由mc9s08sh4的pta1引腳控制。當(dāng)pta1輸出高電平常,傳感器系統(tǒng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)pta1輸出低電平常,傳感器系統(tǒng)從上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，4所示。2.5 電源模塊電源模塊采納24 v直流輸入,除了為傳感器預(yù)留24 v、12 v供電接口外,還為ad7705、max1487、mc9s08sh4提供5 v工作。為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小,電源模塊中用法的穩(wěn)壓芯片為小的78l12、78l05和lm1117(so

7、t-223封裝)各一片。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后發(fā)覺(jué)，因?yàn)橄到y(tǒng)功率很小，所以電源模塊發(fā)熱量并不大，能夠保證長(zhǎng)時(shí)光穩(wěn)定工作。3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)部分主要包括mc9s08sh4初始化、a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的中值濾波和均值濾波、設(shè)置參考零點(diǎn)舉行數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)的浮點(diǎn)化處理、校對(duì)數(shù)據(jù)幀格式、通過(guò)sci模塊和rs-485通信模塊將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到上位機(jī)。詳細(xì)流程5所示。上位機(jī)軟件采納結(jié)合sql編寫(xiě),通過(guò)串口和rs485通信協(xié)議對(duì)智能傳感器系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)舉行監(jiān)控，須要時(shí)上位機(jī)軟件可以重新設(shè)置數(shù)字傳感器的通信地址、a/d轉(zhuǎn)換位數(shù)、數(shù)據(jù)幀格式和串口波特率等參數(shù)，并將采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于日后分析收拾。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于freescale mc9s08sh4和ad7705的智能傳感器系統(tǒng)，充分利用mc9s08sh4體積小、速度快,片上資源豐盛、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn),結(jié)合ad7705內(nèi)置的信號(hào)處理電路和高精度?撞-?駐 a/d轉(zhuǎn)換器，在一般傳感器上增強(qiáng)了軟件調(diào)零、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、多點(diǎn)測(cè)量、