片上系統(tǒng)芯片的傳感器模塊設計

【Word版本下載可任意編輯】片上系統(tǒng)芯片的傳感器模塊設計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(yè)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(tǒng)一和協(xié)同。本文研制了一種基于片上系統(tǒng)芯片的傳感器模塊軟硬件設計。

2傳感器模塊硬件系統(tǒng)構造

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(tǒng)的集成度，設計采用了集成式的片上數據采集系統(tǒng)ADuC812。

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(tǒng)采用異步串行口來電子數據表格至ADuC812的片內Flash。此外，異步串行口還可用來和調試用戶程序，方便系統(tǒng)開發(fā)。

3傳感器系統(tǒng)硬件詳細設計

3.1STIM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，由加法電路開展調節(jié)零點漂移；由運放OP07開展比例放大，放大倍數由電位器R6調節(jié)，使測試溫度范圍在0~65℃，輸出電壓相應為0~2.5V。

3.2復位電路設計

ADuC812需要外接POR(Power-onreset，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(jiān)控電路芯片，能夠監(jiān)控電源電壓、電源故障和微處理器的工作狀態(tài)。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。

3.3TII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(xié)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(xié)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(fā)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(tǒng)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接口的供電電源開展處理，可以在STIM方面參加熱插拔保護電路，當然也可以在NCAP方面參加保護電路。本系統(tǒng)在NCAP方面參加了保護電路。

3.4信號調理存儲電路設計

數據采集系統(tǒng)的設計過程中，輸入數據采集系統(tǒng)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開展轉換，必需對輸入的信號開展信號調理，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轉換通道開展數據采集。

由于ADuC812內部只有256字節(jié)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(qū)。考慮到ADuC812內部集成了640字節(jié)Flash，可以作為電子數據表格的存儲區(qū)，所以無需外擴Flash存儲器。

3.5在線與調試

程序存儲器陣列可以按兩種模式之一來編程:一種是串行(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(guī)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開展配置。所以，在本模塊的開發(fā)和調試過程中采用的是串行模式。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模式。本系統(tǒng)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(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)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(fā)揮擴展系統(tǒng)硬件的功能。本模塊的軟件設計模型的構造化來自于IEEE1451.2標準的構造。系統(tǒng)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語言。與以往的80C51單片機不同，ADuC812具有在線調試和功能，它由支持ADuC812的開發(fā)工具包Quickstart開發(fā)系統(tǒng)來提供。也就是說，在用戶系統(tǒng)保存ADuC812的情況下，通過開發(fā)系統(tǒng)與ADuC812的串行接口通信，直接對用戶系統(tǒng)開展調試。

1、STIM的軟件模塊。

STIM必須包含一個TEDS、控制與狀態(tài)存放器、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(fā)和觸發(fā)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(tǒng)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，如對供電電源開展嚴格穩(wěn)壓處理，對ADC輸入信號開展RC高頻濾波，采用高精度、高穩(wěn)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(yōu)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(tǒng)整體性能。

3、TEDS程序。

本系統(tǒng)的TEDS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(fā)。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(xié)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(fā)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(fā)送來的命令，執(zhí)行相應功能并應答。單片機流程圖如圖5。

5系統(tǒng)測試

本測試系統(tǒng)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