1 引言
    微處理器帶來的數(shù)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(wěn)定可靠性和響應(yīng)要求越來越高，傳統(tǒng)的傳感器已不能適應(yīng)多種測試要求,，隨著微處理智能技術(shù)和微機械加工技術(shù)在傳感器上的應(yīng)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。智能傳感器實現(xiàn)的途徑一般有3種方式：①非集成化實現(xiàn)是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器,、信號調(diào)理電路,、帶數(shù)字接口的微處理器組合為一整體，而構(gòu)成的一個智能傳感器系統(tǒng),。②集成化實現(xiàn)的傳感器系統(tǒng)是采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)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(diào)理電路,、微處理單元,，并把其集成到一塊芯片上構(gòu)成。固又稱為集成智能傳感器,。③混合實現(xiàn)是根據(jù)需要,，將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如：敏感單元,、信號調(diào)理電路,、微處理單元、數(shù)字總線接口,，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上,，并裝在一個外殼里。這里采用非集成化實現(xiàn)的方式,。
    IEEE1451是一種新的通用智能化傳感器接口標(biāo)準(zhǔn),。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)為即插即用智能傳感器與現(xiàn)有的各種總線提供了通用的接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)的提出,，為提高全球范圍內(nèi)傳感器技術(shù)水平提供了堅實的基礎(chǔ),，為測試系統(tǒng)的智能化提供了基本前提。在設(shè)計中,，基于IEEEl45l.4標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字信號，使得普通的傳感器可以實現(xiàn)智能化,。
 

2 智能傳感器的硬件設(shè)計
    硬件設(shè)計主要介紹信號調(diào)理模塊,、A／D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)通信模塊3個模塊,。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(tǒng)MEMS技術(shù)制造的,。中央微處理器采用C805lF060，其內(nèi)部集成2個16位 SAR(逐次逼近型)A／D轉(zhuǎn)換器,，8通道10位SAR A／D轉(zhuǎn)換器,，可完成模擬信號模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，是整個系統(tǒng)的控制,、通訊核心,。一方面它對傳感器輸出的信號進行采集、轉(zhuǎn)換,，另一方面中央處理器對EEPROM實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,。中央微處理器包含一個可編程內(nèi)部振蕩器和一個外部振蕩器驅(qū)動電路，為了減小系統(tǒng)功耗和體積,，采用可編程內(nèi)部振蕩器,。大多數(shù)情況下，從傳感器中輸出的電信號不能直接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，要經(jīng)過必要的信號調(diào)理電路進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理,，使信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓范圍之內(nèi)，然后經(jīng)過信號濾波電路,，濾掉信號中的雜波成分,，才能使其在形式、幅度,、信噪比,、轉(zhuǎn)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(shù)字化后的精度,。智能傳感器硬件設(shè)計中,，加速度模擬信號經(jīng)過分壓、跟隨及濾波等處理后,，再進入A／D轉(zhuǎn)換器進行A／D轉(zhuǎn)換,，其調(diào)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)過計算輸出電壓范圍為0．9～4．4 V,。因為A／D轉(zhuǎn)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行分壓，才能正確地被A／D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,。分壓電路采用簡單的電阻分壓,，并用運算放大器進行跟隨。分壓處理后,，輸出的加速度信號范圍為0．45～2．2V,，滿足A／D轉(zhuǎn)換器的采集范圍。設(shè)計中選擇了1 MΩ的分壓大電阻進行分壓,，這樣做的好處是能提高系統(tǒng)的輸入阻抗,，減小由于輸入阻抗過低對加速度信號的影響。
    濾波是對傳感器信號分壓后進行的模擬濾波處理,。設(shè)計中采用集成開關(guān)電容濾波器MAX291對傳感器信號進行模擬濾波,。MAX291是MAXIM公司生產(chǎn)的8階巴特沃斯型開關(guān)電容式有源低通濾波器。MAX291的可靠性和穩(wěn)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(yīng),。時鐘頻率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(nèi)部時鐘振蕩器，只需外接一只電容,，其電容值和3 dB截止頻率則滿足：

   
    設(shè)計中直接采用MAX291內(nèi)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(shè)計中由于系統(tǒng)緊湊性設(shè)計的特殊需要,，選用微處理器集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時也節(jié)約了成本,。C8051F060的A／D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括兩個lMs／s,、16位分辨率的逐次逼近寄存器型A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，可以通過相應(yīng)的控制寄存器進行配置,。內(nèi)部電壓基準(zhǔn)電路由一個溫度穩(wěn)定性好的1．2 V帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和一個2倍增益的輸出緩沖放大器組成,。ADCO的電壓基準(zhǔn)電路由基準(zhǔn)控制寄存器REFOCN控制。REFOCN寄存器用于獨立地使能／禁止ADCO的內(nèi)部基準(zhǔn)和偏置發(fā)生器電路,。BIASE0位使能ADC0的內(nèi)部偏置發(fā)生器,。該位為‘1’時,，ADC0內(nèi)部偏壓發(fā)生器工作,。設(shè)計中使用的是ADC0內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，則必須使ADC0所對應(yīng)的BLASE0和REFBEO位都被置‘1’,，內(nèi)部2．4 V電壓基準(zhǔn)輸出到VREFO引腳,。VREF0引腳對AGND的最大負載必須小于100μA，應(yīng)在VREF0引腳與VRGND0之間接入0．1μF和47μF的旁路電容,。使用ADC0時,，應(yīng)將ADCO電壓基準(zhǔn)接地引腳VRGNDO接地．經(jīng)過上述合理的設(shè)計后，系統(tǒng)中測得的電壓基準(zhǔn)約為2．44 V,。ADCO的最高轉(zhuǎn)換速度為1 Ms／s,，轉(zhuǎn)換時鐘來自系統(tǒng)時鐘分頻，寄存器ADCOCF中的ADCOSC位決定每個轉(zhuǎn)換時鐘為多少個系統(tǒng)時鐘(1～16),。ADCO有4種轉(zhuǎn)換啟動方式,，由ADCOCN中的ADC0啟動轉(zhuǎn)換方式位(ADOCMl，AD0CM0)的狀態(tài)決定,。轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有：
    ①向ADCOCN的AD0BUSY位寫1,；
    ②定時器3溢出(即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換)；
    ③外部A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換啟動信號CNVSTR0的上升沿,；
    ④定時器2溢出(即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換),。

其中第3種為外部觸發(fā)源，另外3種為內(nèi)部觸發(fā)源,。ADOBUSY位在轉(zhuǎn)換期間被置‘1’,，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復(fù)‘O’。ADOBUSY位的下降沿觸發(fā)中斷并將中斷標(biāo)志ADOINT(ADCOCN．5)置‘1’,。在單端方式下,，ADC0的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被保存在ADC0數(shù)據(jù)字的MSB和LSB寄存器：ADCOH和ADCOL。當(dāng)通過向ADOBUSY寫‘1’啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時,，應(yīng)查詢ADOINT,。位以確定轉(zhuǎn)換何時結(jié)束。A／D轉(zhuǎn)換流程如圖3所示,。

    在設(shè)計中,，數(shù)據(jù)的通信是創(chuàng)新點,。IEEEl451.4標(biāo)準(zhǔn)的接口要求既能輸出模擬信號，又能輸出數(shù)字信號,。同時能自動識別傳感器的類型,，通過軟件的控制可以對傳感器進行校準(zhǔn)。根據(jù)這個要求,，設(shè)計了另外一種混合接口,，如圖4所示。通過這個接口,，既能輸出模擬信號,，又能輸出數(shù)字信號。模擬信號即傳感器直接輸出經(jīng)過調(diào)理后的信號,。數(shù)字信號包括兩種信號,，一種是RS422電平的信號，用D+,，D-表示,，另外一種數(shù)字信號是C8051F060從EEPROM中讀出的TEDS信號，在此用DAT表示,。EEPROM采用Dallas Semiconductor生產(chǎn)的DS2431作為TEDS的信息存儲器,，DS2431為1024位可編程只讀存儲器，可識別和儲存與之相適應(yīng)產(chǎn)品的有關(guān)信息,。這些系列或產(chǎn)品的指定信息能通過最小的接口訪問,，比如微控制器的一個端口引腳。在設(shè)計中,，DS243l的DAT引腳與C8051F060的P2．7口相連,。通信過程中，C8051F060與DS2431的通訊通過單線協(xié)議進行,。DS2431的主要作用是向微處理器提供儲存在其內(nèi)部的TEDS,。要實現(xiàn)與DS2431的通信，核心是掌握好1一Wire器件信號收發(fā)時序的問題,。為了保證數(shù)據(jù)的完整性,，DS243l對通信協(xié)議有很嚴(yán)格的要求。DS2431的通信協(xié)議主要包括4種信號類型：初始化信號(包括1個復(fù)位脈沖和1個應(yīng)答脈沖),，寫O,，寫1，讀數(shù)據(jù),。這些信號中,，除了應(yīng)答脈沖以外，都是由總線控制單元發(fā)出。為保證數(shù)據(jù)可靠的傳輸,，任何時刻單總線上只能有一個數(shù)據(jù),，每次數(shù)據(jù)和命令傳輸通常從復(fù)位命令開始，隨后是ROM命令和RAM命令,，最后進行數(shù)據(jù)交換,，必須嚴(yán)格遵守這個命令序列，才能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸,。

3 結(jié)語
    在充分研究IEEEl451．4標(biāo)準(zhǔn)接口的基礎(chǔ)上,，完成了智能傳感器的硬件電路設(shè)計。通過實驗,，從控制軟件上可以收到傳感器輸出的信號,，所提出電路設(shè)計方案切實可行。