1、 导言
微处理器带来的数字化革新到虚拟仪器的飞速发展．对传感器的归纳精度、安稳牢靠性和呼应要求越来越高，传统的传感器已不能适应多种测验要求，跟着微处理智能技能和微机械加工技能在传感器上的运用，智能传感器（Smart Sen—sor）诞生了。所谓智能传感器，便是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功用的传感器。智能传感器完结的途径一般有3种方法：①非集成化完结是将传统的经典传感器、信号调度电路、带数字接口的微处理器组合为一全体，而构成的一个智能传感器体系。②集成化完结的传感器体系是选用微机械加工技能和大规模集成电路工艺技能，运用硅作为根本资料制作灵敏元件、信号调度电路、微处理单元，并把其集成到一块芯片上构成。固又称为集成智能传感器。③混合完结是依据需要，将体系各个集成化环节，如：灵敏单元、信号调度电路、微处理单元、数字总线接口，以不同的组合方法集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。这儿选用非集成化完结的方法。
IEEE1451是一种新的通用智能化传感器接口规范。IEEE1451规范为即插即用智能传感器与现有的各种总线供给了通用的接口规范。IEEE规范的提出，为进步全球规模内传感器技能水平供给了坚实的根底，为测验体系的智能化供给了根本前提。在规划中，依据IEEEl45l.4规范提出了一种新的接口，使传感器既能够输出模仿信号也可也输出数字信号，使得一般的传感器能够完结智能化。
2、 智能传感器的硬件规划
硬件规划首要介绍信号调度模块、A／D转化模块、数据通讯模块3个模块。传感器选用加速度传感器ADXL250，ADXL250是ADI公司推出的低噪声、低功耗的二维加速度计。它是运用ADI公司开创的微电子机械体系MEMS技能制作的。中心微处理器选用C805lF060，其内部集成2个16位 SAR（逐次迫临型）A／D转化器，8通道10位SAR A／D转化器，可完结模仿信号模数转化功用，是整个体系的操控、通讯中心。一方面它对传感器输出的信号进行收集、转化，另一方面中心处理器对EEPROM完结数据传输。中心微处理器包含一个可编程内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，为了减小体系功耗和体积，选用可编程内部振荡器。大多数情况下，从传感器中输出的电信号不能直接送入模数转化器，要经过必要的信号调度电路进行恰当的调度，使信号在模数转化电压规模之内，然后经过信号滤波电路，滤掉信号中的杂波成分，才干使其在方法、起伏、信噪比、转化灵敏度和精度等方面到达中心处理器的要求，以进步传感器数字化后的精度。智能传感器硬件规划中，加速度模仿信号经过火压、跟从及滤波等处理后，再进入A／D转化器进行A／D转化，其调度电路框图如图1所示。
加速度计输出电压为：
式中：Vs为供电电压，单位为V；Sensitivity为输出的加速度灵敏度，单位为mV／g。ADXL250的灵敏度为38 mV／g；a为输入的加速度，单位为g。
经过核算输出电压规模为0．9～4．4 V。因为A／D转化器所能收集的电压规模为0～2．4 V，所以有必要对加速度信号进行分压，才干正确地被A／D转化器进行模数转化。分压电路选用简略的电阻分压，并用运算放大器进行跟从。分压处理后，输出的加速度信号规模为0．45～2．2V，满意A／D转化器的收集规模。规划中挑选了1 MΩ的分压大电阻进行分压，这样做的优点是能进步体系的输入阻抗，减小因为输入阻抗过低对加速度信号的影响。
滤波是对传感器信号分压后进行的模仿滤波处理。规划中选用集成开关电容滤波器MAX291对传感器信号进行模仿滤波。MAX291是MAXIM公司出产的8阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器。MAX291的牢靠性和安稳性高，避免了分立元件的各种差错、漂移影响。它的3 dB截止频率可在0．1～25 Hz之间挑选，具有固定的归一化频率呼应。时钟频率fCLK与截止频率fC的比值为100：1；噪声低，典型值为一70 dB THD+Noise。假如直接运用MAX291的内部时钟振荡器，只需外接一只电容，其电容值和3 dB截止频率则满意：
规划中直接选用MAX291内部振荡器，外接0．1μF的电容。图2是滤波电路的滤波作用比照图。
在规划中因为体系紧凑性规划的特殊需要，选用微处理器集成的模数转化器，一起也节省了本钱。C8051F060的A／D转化器体系包含两个lMs／s、16位分辨率的逐次迫临寄存器型A／D转化器，A／D转化器中集成了盯梢坚持电路、可编程窗口检测器和DMA接口。为了进步传感器信号收集精度，这儿A／D转化选用内部电压基准，能够经过相应的操控寄存器进行装备。内部电压基准电路由一个温度安稳性好的1．2 V带隙电压基准发生器和一个2倍增益的输出缓冲放大器组成。ADCO的电压基准电路由基准操控寄存器REFOCN操控。REFOCN寄存器用于独登时使能／制止ADCO的内部基准和偏置发生器电路。BIASE0位使能ADC0的内部偏置发生器。该位为‘1’时，ADC0内部偏压发生器作业。规划中运用的是ADC0内部电压基准，则有必要使ADC0所对应的BLASE0和REFBEO位都被置‘1’，内部2．4 V电压基准输出到VREFO引脚。VREF0引脚对AGND的最大负载有必要小于100μA，应在VREF0引脚与VRGND0之间接入0．1μF和47μF的旁路电容。运用ADC0时，应将ADCO电压基准接地引脚VRGNDO接地．经过上述合理的规划后，体系中测得的电压基准约为2．44 V。ADCO的最高转化速度为1 Ms／s，转化时钟来自体系时钟分频，寄存器ADCOCF中的ADCOSC位决议每个转化时钟为多少个体系时钟（1～16）。ADCO有4种转化发动方法，由ADCOCN中的ADC0发动转化方法位（ADOCMl，AD0CM0）的状况决议。转化触发源有：
①向ADCOCN的AD0BUSY位写1；
②守时器3溢出（即守时的接连转化）；
③外部A／D转化器转化发动信号CNVSTR0的上升沿；
④守时器2溢出（即守时的接连转化）。
其间第3种为外部触发源，别的3种为内部触发源。ADOBUSY位在转化期间被置‘1’，转化完毕后复‘O’。ADOBUSY位的下降沿触发中止并将中止标志ADOINT（ADCOCN．5）置‘1’。在单端方法下，ADC0的转化数据被保存在ADC0数据字的MSB和LSB寄存器：ADCOH和ADCOL。当经过向ADOBUSY写‘1’发动数据转化时，应查询ADOINT。位以确认转化何时完毕。A／D转化流程如图3所示。
在规划中，数据的通讯是立异点。IEEEl451.4规范的接口要求既能输出模仿信号，又能输出数字信号。一起能自动辨认传感器的类型，经过软件的操控能够对传感器进行校准。依据这个要求，规划了别的一种混合接口，如图4所示。经过这个接口，既能输出模仿信号，又能输出数字信号。模仿信号即传感器直接输出经过调度后的信号。数字信号包含两种信号，一种是RS422电平的信号，用D+，D-表明，别的一种数字信号是C8051F060从EEPROM中读出的TEDS信号，在此用DAT表明。EEPROM选用Dallas Semiconductor出产的DS2431作为TEDS的信息存储器，DS2431为1024位可编程只读存储器，可辨认和贮存与之相适应产品的有关信息。这些系列或产品的指定信息能经过最小的接口拜访，比方微操控器的一个端口引脚。在规划中，DS243l的DAT引脚与C8051F060的P2．7口相连。通讯过程中，C8051F060与DS2431的通讯经过单线协议进行。DS2431的首要作用是向微处理器供给贮存在其内部的TEDS。要完结与DS2431的通讯，中心是把握好1一Wire器材信号收发时序的问题。为了确保数据的完整性，DS243l对通讯协议有很严厉的要求。DS2431的通讯协议首要包含4种信号类型：初始化信号（包含1个复位脉冲和1个应对脉冲），写O，写1，读数据。这些信号中，除了应对脉冲以外，都是由总线操控单元宣布。为确保数据牢靠的传输，任何时刻单总线上只能有一个数据，每次数据和指令传输一般从复位指令开端，随后是ROM指令和RAM指令，最终进行数据交换，有必要严厉遵守这个指令序列，才干确保数据的正确传输。
3、 结语
在充沛研讨IEEEl451．4规范接口的根底上，完结了智能传感器的硬件电路规划。经过试验，从操控软件上能够收到传感器输出的信号，所提出电路规划方案切实可行。
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