摘要：基于STM32實現(xiàn)了電流型、電壓型以及數(shù)字IO型傳感器接口模塊,；進行了接口模塊的軟件設(shè)計,，說明了詳細的固件代碼設(shè)計。除傳統(tǒng)串口外,，提供以太網(wǎng)接口,，嵌入UDP協(xié)議，提供后期開發(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)將會是未來很長一段時間內(nèi)IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢,，一個完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成或產(chǎn)業(yè)鏈的劃分,，目前業(yè)界比較統(tǒng)一的觀點基本都認(rèn)為應(yīng)該包括三個層面：末端設(shè)備或子系統(tǒng)、通信連接系統(tǒng),、以及管理和應(yīng)用系統(tǒng),。即Device-設(shè)備、Connect-連接和Manage-管理,。由于數(shù)字整合的需求日益增長,，對作為感知層核心組成元素的傳感器數(shù)據(jù)融合提出了更高要求。如何將傳感器連入網(wǎng)絡(luò)成為一個尤其重要的問題,。
傳感器通過接口模塊接入到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò),。傳感器通過信號接口連接到接口模塊，節(jié)點以相應(yīng)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)用戶可以識別的信息,，最后通過網(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,、電荷之類參量發(fā)生變化，然后經(jīng)過信號處理,，產(chǎn)生可供AD轉(zhuǎn)換的電壓或電流信號(目前ADC應(yīng)用主要還是電壓輸入,，電流模式ADC尚未大規(guī)模應(yīng)用)，而后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為可供處理的數(shù)字信號,。由于在不同應(yīng)用場合中會使用到針對上述不同層次接口的傳感器,，故信號接口標(biāo)準(zhǔn)針對不同層次設(shè)計：
層次1：需經(jīng)過信號調(diào)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(shù)字信號輸出,，如開關(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(xiàn)場總線接口(如CAN、Profibus,、工業(yè)以太網(wǎng)),、無線通信接口(如Zigbee、WI-FI)等一般無需考慮信號接口的問題,，如需連入不同網(wǎng)絡(luò)可以使用相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)(如CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)),。
基于此分類依據(jù)，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(shù)字電平信號等。
1 傳感器接口模塊設(shè)計概述
從功能上來講,，接口模塊需要完成傳感器與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)之間的連接,，解決傳感器的異構(gòu)性帶來的諸多問題，完成從原始信號到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流過程,?？偟膩碚f包括傳感器接入及激勵、信號調(diào)理,、AD轉(zhuǎn)換／數(shù)字濾波,、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信。不同信號輸入類型的接口模塊在整體功能上是類似的,，主要不同在于信號調(diào)理部分,，以及AD轉(zhuǎn)換的不同要求。接口模塊整體功能如圖3所示,。
信號調(diào)理針對不同信號類型設(shè)計,。傳感器原始輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號接入后，經(jīng)過信號調(diào)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(jù)不同應(yīng)用需求所需的通道數(shù)、精度、速度進行選擇,。可選擇外置ADC,，系統(tǒng)要求不高或者在一些特殊場合也可使用SOC片上系統(tǒng)的內(nèi)置ADC(比如TI的MSC1210系列MCU內(nèi)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讀寫速度以及可編程性,。由于需要在標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊正常工作的同時修改Flash中的電子表單,，所以存儲芯片得支持IAP(在應(yīng)用編程)功能。
整個模塊的核心處理器為MCU或者FPGA,，負責(zé)對整個模塊的邏輯進行控制,，可根據(jù)不同應(yīng)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(jù)不同應(yīng)用場合選取不同接口,，比如RS485總線,、CAN總線、Ethemet,、WiFi等,。可支持多個接口模塊,，主機可對從模塊進行配置,，可自由添加模塊。
2 基于STM32的傳感器接口模塊設(shè)計
2．1 電流接口模塊設(shè)計
以STM32F103系列處理器為核心,，外掛ADC采樣芯片,、以太網(wǎng)接口芯片、RS-232／485接口芯片,。模擬電流信號經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路,、電壓放大電路、電平匹配電路輸入至ADC采樣芯片后由處理器采集,。ADC芯片采用5V的外置參考電壓,，提高精確度。EEPROM芯片通過IIC接口與處理器通信,。處理器經(jīng)由串口以及以太網(wǎng)接口與上位機進行數(shù)據(jù)和控制信息交換,。調(diào)試接口為20針標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口。
電源部分設(shè)計為輸入24V直流,，經(jīng)線性穩(wěn)壓電路和電壓反轉(zhuǎn)電路生成模擬部分需要的5V電壓和數(shù)字電路需要的3．3V電壓,。電源輸入的24V電壓可以直接供給工業(yè)上常用的二線制電流輸出傳感器做激勵。
整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
下面介紹具體電路設(shè)計,。電源部分為+24V-DC輸入經(jīng)LM2596(IC1)開關(guān)電源芯片產(chǎn)生+5V-DC電壓,，+5V電源直接供給模擬部分電路。IC2為LM1117—3．3線性穩(wěn)壓芯片,，將5V電源變換為3．3V供給數(shù)字電路,。數(shù)字地與模擬地隔離，通過10 μH電感或者磁珠連接,，可以抑制數(shù)字電路對于模擬電路部分的干擾,。LED1和LED2分別用來指示兩部分的電源接通狀況。
輸入的電流由100Ω精密負載電阻變換為電壓信號,，由同向放大電路放大至AD轉(zhuǎn)換所需要的電平,，增益可以由電位器來進行微調(diào)。運放采用AD8551(U$3),，其在低壓差單電源情況下表現(xiàn)完美,，具有極低失調(diào)電壓(5 μV)、極低的溫漂(0．03μV／℃)以及軌對軌輸入輸出的特性,。
+24V電壓經(jīng)過78L12Z(IC4)穩(wěn)壓產(chǎn)生12V電源供給AD586(U52)芯片產(chǎn)生高精度5V基準(zhǔn)信號,，輸入到AD采樣芯片ADS8344(U$1)的參考輸入端。AD586的trim端連接10k電位器,，可以對輸出的基準(zhǔn)電壓進行精密調(diào)節(jié),。四路電流采樣信號經(jīng)前級放大后直接輸入到AD芯片CH0-3通道，ADC由數(shù)字SPI接口連接MCU進行控制采集,。
EEPROM存貯芯片采用241c64(IC5)芯片,，具有64kbit存儲容量，外部接口為I2C與MCU相連,。ARM芯片的IO口經(jīng)MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片,，將3.3V邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平信號，接入DB-9插頭,。MAX3232采用3.3V供電,，具有低功耗、高數(shù)據(jù)速率,、增強型ESD保護等特性,。 ENC28J60是SPI接口的以太網(wǎng)控制器，其SPI接口與MCU的SPI對應(yīng)IO口相連,，輸入和輸出分別為一組差分信號,，接入帶有1：1脈沖變壓器的10BASE-T RJ-45插座。時鐘由外部提供,，使用25M晶振,。
2．2 電壓／數(shù)字IO接口模塊設(shè)計
電壓接口模塊與數(shù)字開關(guān)量接口模塊基本沿用電流接口模塊的設(shè)計,。不同之處在于模擬輸入部分無需經(jīng)過電流一電壓轉(zhuǎn)換，直接經(jīng)運放輸入ADC,。數(shù)字量接口直接由MCU的IO端口引出,。傳感器輸出的電壓直接輸入同向放大電路至AD轉(zhuǎn)換所需要的電平。此處運放就相當(dāng)于一個電壓跟隨器,，顯著特點就是,，輸入阻抗高，而輸出阻抗低,，可以提高驅(qū)動能力。
2．3 接口模塊硬件實現(xiàn)
整個板子盡量使用緊湊布局,。電源以及傳感器接口布置于左側(cè),，使用螺絲接線端子引出。串口以及以太網(wǎng)口布局在右側(cè),。整個模擬與數(shù)字部分基本分開而設(shè),，有效避免干擾。布局基本沒什么變化,，左邊螺絲接線端子往外移了一些,，主要是考慮到外殼封裝上后螺絲端子可能不夠外露的問題。
3 基于STM32的標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊固件設(shè)計
標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊的固件程序包括主程序,、配置程序,、ADC數(shù)據(jù)采樣程序、EEPROM讀寫程序,、以太網(wǎng)網(wǎng)口驅(qū)動程序,、UDP協(xié)議棧的嵌入。
接口模塊中共用到三種通信總線,。ADC以及以太網(wǎng)控制器與MCU間為SPI總線,，EEPROM與MCU間為IIC總線，另外接口模塊提供UART串口對外通信,。以外網(wǎng)嵌入UDP協(xié)議,。
3．1 AD數(shù)據(jù)采樣
AD數(shù)據(jù)采樣是整個系統(tǒng)接口模塊固件設(shè)計的核心工作，也是實現(xiàn)傳感器信息獲取的關(guān)鍵所在,。該模塊負責(zé)將采集到的傳感器信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,。
AD數(shù)據(jù)采樣主要完成如下的幾個功能：
(1)初始化。該工作主要完成對一些物理器件的引腳功能,、工作模式等進行預(yù)定義,；
(2)AD轉(zhuǎn)換。通過軟件啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,，完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,；
(3)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。實時采集轉(zhuǎn)換后的信息，同時發(fā)送相應(yīng)的控制命令,，以切換采集通道,。
在數(shù)據(jù)采集過程中，我們可能需要切換不同通道,，從而實現(xiàn)對多個傳感器信息的獲取,。實際設(shè)計中，控制器會在采集本次通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的同時,，發(fā)送下次采集通道的編號,。詳細操作步驟如下：
(1)需采集的通道地址(Ch)通過SPI接口寫入ADS8344的相應(yīng)寄存器，應(yīng)用設(shè)定的波特率來設(shè)置接口傳輸速度,；
(2)通過MCU設(shè)置GPIOB12(作為AD的CS信號)為低來啟動ADS8344進行數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換,，數(shù)據(jù)傳輸方式為SPI發(fā)送模式；
(3)當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,，設(shè)置GPIOB12為高電平,，ADS8344結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸，進入空閑模式并等待MCU的指令,。此外,，固件代碼中設(shè)置了對ADC進行軟標(biāo)定的程序。這樣可以通過精密信號源對ADC進行標(biāo)定,，提高采樣精讀,。標(biāo)定信息存儲于EEPROM中。功能實現(xiàn)代碼如下：
3．2 以太網(wǎng)口驅(qū)動
同樣需要先進行SPI接口和GPIO端口初始化,，與之前ADC類似,，只不過這里用SPI1口。GPIO初始化也不再多說,。以太網(wǎng)驅(qū)動部分主要是數(shù)據(jù)包的發(fā)送／接收,，緩沖區(qū)的讀寫，物理層的寫等函數(shù),。SPI口的發(fā)送／接收函數(shù)如下：
3．3 控制指令
串口指令格式
[起始標(biāo)志][指令][指令參數(shù)1]<指令參數(shù)2>…[結(jié)束標(biāo)志]
指令示意：
00 01 01 FF讀取通道1的電流值
00 04 C0 A8 89 03 FF設(shè)置IP地址為192(0xC0)．168(0xA8)．137(0x89)．3(0x03)
00 05 2E E0 FF設(shè)置UDP端口為12000(0x2EE0)00 07 10 11 11 10 14 19 FF往EEPROM的地址0x0110寫入數(shù)據(jù)0x49
00 09 19 18 FF將數(shù)字IO1設(shè)為輸出,，高電平，IO2／3輸入,，IO4輸出,，低電平以太網(wǎng)支持串口的指令0x01-0x03及0x07-0x0a，其參數(shù),、功能和返回值與串口一致,。不支持用以太網(wǎng)口配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
4 結(jié)果與總結(jié)
4．1 調(diào)試結(jié)果
在串口助手環(huán)境下調(diào)試,。以太網(wǎng)參數(shù)設(shè)置：
發(fā)送指令00 04 C0 A8 89 03 FF設(shè)置接口模塊IP地址為192(0xC0)．168(0xA8)．137(0x89)．3(0x03)
發(fā)送指令00 05 55 66 FF設(shè)置接口模塊UDP端口為21862(0x5566)
發(fā)送指令00 06A1 B2 C3 D4 E5 06 FF設(shè)置接口模塊MAC地址
Ping接口模塊：cmd ping 192．168．137．3(串口已經(jīng)設(shè)置好ip和端口號)
以太網(wǎng)采樣和讀寫EEPROM：發(fā)送類似同樣指令完成采樣以及讀寫操作
4．2 總結(jié)
本文以傳感器的輸出信號類型為分類依據(jù),，基于該信號接口分類給出了基于STM32的傳感器接口模塊的硬件設(shè)計,，并實際設(shè)計實現(xiàn)了電流型、電壓型以及數(shù)字IO型模塊,，給出了相應(yīng)的硬件選型以及電路設(shè)計與實現(xiàn),；進行了接口模塊的軟件設(shè)計，說明了詳細的固件代碼設(shè)計,。除傳統(tǒng)串口外,，提供以太網(wǎng)接口，嵌入UDP協(xié)議,，提供后期開發(fā)的便利,。