高性能單片機ADuC824及其在智能傳感器中的應用

介紹了單片機ADuC824的性能特點和用于智能傳感器時的功能實現方案，給出了ADuC824在DTP型智能壓力傳感器上的應用實例。
關鍵詞：單片機，ADuC824，智能傳感器
　　

1　引　言
　　測控系統(tǒng)向自動化、智能化方向不斷發(fā)展，這不僅對傳感器的準確性、可靠性、穩(wěn)定性要求越來越高，而且要求傳感器應具備一定的數據處理能力，能夠進行自動檢測、自動校準和自動誤差補償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的需要，而且僅靠改進材料工藝也很難滿足要求。
　　計算機技術的迅猛發(fā)展使傳感器技術發(fā)生了巨大變革，由微處理器和傳感器相結合，產生了功能強大的智能傳感器（Intelligent Sensor／SmartSensor）。所謂智能傳感器，就是一種帶有微處理器（或單片機）的，兼有信息檢測，信號處理，信息記憶，邏輯思維與判斷功能的傳感器。在信息技術高速發(fā)展的今天，智能傳感器的智能化和集成化將成為其發(fā)展的兩個重要方向。而智能傳感器的智能化和集成化的程度將主要取決于與之相結合的微處理器的性能。
　　ADuC824是美國AD公司新推出的一款非常靈活的高性能的單片機。將它與傳感器相結合，可以構成高集成的智能傳感器。
2　ADuC824的性能特點簡介
　　ADuC824是一個片內資源非常豐富的單片機，其卓越的性能源于各種資源的獨自特點，主要表現為：它以便于進行軟件編程的8051為內核；集高分辨率的、具有24位／16位無丟失碼、可直接接收來自傳感器微弱信號的雙路Σ－ΔADC，溫度傳感器，增益可編程放大器（PGA），8位MCU（Micro ProgrammedControl Unit），閃速／電擦除存儲器（Flash／EEProgram Memory），看門狗定時器（WDT），電源監(jiān)視器（PSM），以及SPI（SerialPeripheralInterface）和I2C（Inter Integrated Circuit）總線接口等資源于一身。ADuC824是一個完全可編程的、自校準、高精度的數據采集芯片。
3　ADuC824在智能傳感器中的應用
　　如上所述，ADuC824是一個高度集成的高性能微轉換器，其片內豐富的資源使其成為功能十分強大的高精度、寬動態(tài)范圍的全集成的數據采集系統(tǒng)。符合IEEE1451．2標準的ADuC824在智能傳感器領域有著廣闊的應用前景。
3．1　硬件設計方案
智能傳感器主要由傳感器、微處理器及其相關電路組成，其典型的結構如圖1所示。

　　其工作原理是，傳感器將被測的物理量轉換成相應的電信號，送到信號調理電路中，進行濾波、放大、模－數轉換后，送到微處理器中。微處理器是智能傳感器的核心，它不但可以對傳感器測量數據進行計算、存儲、數據處理，還可以通過反饋回路對傳感器進行調節(jié)?？梢姡⑻幚砥鞯淖陨硇阅芎图蓸O大地決定了智能傳感器的多功能化和集成化程度。
　　圖1中的信號調理電路和輸出接口獨立于微處理器之外，不但影響智能傳感器的精度，而且不易于實現智能傳感器的進一步集成。
　　現采用單片機ADuC824來構成智能傳感器，由于它可直接接收來自傳感器的微弱信號且集成度高、體積小（約1cm2大小，可直接放在傳感器上），因此，可以大大簡化結構，實現智能傳感器的高度集成。同時，充分利用各種軟件的功能，可以完成硬件難以完成的任務，從而大大降低傳感器制造的難度，提高傳感器的性能，降低成本。其結構如圖2所示。

3．2　ADuC824在智能壓力傳感器中的應用實例
　　圖3是DSSP（Digital Sensor Signal Processing，數字傳感器信號處理）結構的DTP（DigitalTemperature Pressure，數字溫度壓力）型智能壓力傳感器的結構框圖。

　　DTP型智能壓力傳感器的硬件電路分為4大部分：電源模塊，傳感器模塊，CPU模塊和數據輸出模塊。
　　電源模塊的功能是為集成芯片提供5V的工作電壓。
　　傳感器模塊用來將被測物理量轉換為相應的電壓信號。其中，主傳感器為壓力傳感器，它的作用是測量被測壓力參數；輔助傳感器為溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。溫度傳感器的作用是檢測主傳感器工作時，由于環(huán)境溫度變化或被測介質溫度變化而使其壓力敏感元件發(fā)生的溫度變化，以便根據其溫度變化修正與補償溫度變化對測量帶來的誤差。而環(huán)境壓力傳感器的作用是測量工作環(huán)境大氣壓變化，以便修正大氣壓變化對測量的影響?？梢?，這種智能式傳感器需要具有較強的自適應能力，并可以判斷工作環(huán)境因素的變化，進行必要的修正，保證測量的準確性。
數據輸出模塊實現數據通信。CPU模塊是整個傳感器的核心。
　　在智能壓力傳感器中，CPU、A／D、D／A、EEPROM、WDT等芯片及其片外設備是必不可少的。由于ADuC824不僅將這些功能高度集成到一塊芯片上，還集成了片內外設SPI和I2C串行接口，可以用RS－232指令格式傳輸數據，且其ADC可以直接接收來自傳感器的微弱信號，因此，用單獨一片ADuC824即可同時實現原CPU模塊和數據輸出模塊的全部功能，完成對傳感器輸出的微弱信號進行放大、處理、存儲和計算機通信。
　　圖4為ADuC824與傳感器模塊及上位機的接口電路，ADuC824中的兩個獨立的主、輔ADC可以同時直接接收來自主、輔傳感器的信號。若有多個輔助傳感器（如溫度傳感器、環(huán)境壓力傳感器等），則可通過多路器與輔助ADC連接，利用定時中斷進行數據采集。該系統(tǒng)以UART方式，通過RS－232標準接口與上位機通信。

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