基于IEEE1451標準接口的智能傳感器硬件設計

　　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)定可靠性和響應要求越來越高，傳統(tǒng)的傳感器已不能適應多種測試要求，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準。IEEE1451標準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準。IEEE標準的提出，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，為測試系統(tǒng)的智能化提供了基本前提。在設計中，基于IEEEl45l.4標準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計

　　硬件設計主要介紹信號調(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?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。