1 引言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來和信息化要求的不斷提高，特別是Internet的不斷普及和Intranet在企業(yè)中日益增多,，為此,，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能傳感器技術(shù)相結(jié)合就有必要和可能。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)概念由此而產(chǎn)生,。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)致力于研究智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信功能,，將傳感器技術(shù)，通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合,，實(shí)現(xiàn)信息的采集,、傳輸和處理真正統(tǒng)一和協(xié)同。本文研制了一種基于片上系統(tǒng)芯片的傳感器模塊軟硬件設(shè)計(jì),。

　　2 傳感器模塊硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　傳感器模塊(STIM)原理框圖如圖1所示,，主要包括：變送器陣列模塊、信號調(diào)理模塊,、多通道數(shù)據(jù)采集模塊,、TEDS模塊及TII智能接口等部分。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的集成度,，設(shè)計(jì)采用了集成式的片上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" title="ADUC812">ADUC812" 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 　　傳感器的輸出信號經(jīng)調(diào)理模塊放大調(diào)理，輸入至ADUC812片內(nèi)的多通道ADC,，ADC對相應(yīng)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換后,，存儲于RAM中，然后通過TII智能接口將數(shù)據(jù)讀入NCAP,。為了方便TEDS內(nèi)容的升級與更新,，系統(tǒng)采用異步串行口來下載電子數(shù)據(jù)表格至ADUC812的片內(nèi)Flash。此外,，異步串行口還可用來下載和調(diào)試用戶程序,，方便系統(tǒng)開發(fā)。

　　3 傳感器系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　3.1 STIM傳感器前端信號采集電路設(shè)計(jì)

　　溫度傳感器采用AD公司的AD590芯片實(shí)現(xiàn)的,，它是單片集成兩端感溫電流源,。其電路原理圖如圖2所示，其中R1=5.1KΩ,，R2=R3=10KΩ,，R4=2KΩ,，R5和R6分別選10KΩ的電位器。AD590受溫度變化產(chǎn)生電流信號時(shí),，在電阻R1兩端產(chǎn)生電勢差,，從而在運(yùn)放輸入端產(chǎn)生電壓信號，由加法電路進(jìn)行調(diào)節(jié)零點(diǎn)漂移,；由運(yùn)放OP07進(jìn)行比例放大,，放大倍數(shù)由電位器R6調(diào)節(jié)，使測試溫度范圍在0~65℃,，輸出電壓相應(yīng)為0~2.5V,。

 　　3.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

　　ADUC812需要外接POR(Power-on reset，上電復(fù)位)電路,。上電復(fù)位電路在電源電壓低于2.5V時(shí),，要使RESET引腳保持高電平；而且,，在電源電壓高于2.5V時(shí),，RESET引腳保持低電平至少10ms。在本模塊中采用專門的POR芯片ADM810設(shè)計(jì)的POR電路,。ADM810是CMOS監(jiān)控電路芯片,，能夠監(jiān)控電源電壓、電源故障和微處理器的工作狀態(tài),。復(fù)位信號RESET用于啟動或重新啟動CPU,，在上電期間只要電源電壓VCC大于1.0V，就能保證輸出高電平電壓,。在VCC上升期間RESET保持高電平直到電源電壓升至復(fù)位門(4.65V)以上,，在超過此門限后，內(nèi)部定時(shí)器大約再維持200ms后釋放RESET,，使其返回低電平,。無論何時(shí)，只要電源電壓降低到復(fù)位門限以下(即電源跌落),，RESET引腳就會變高，如果在已經(jīng)開始的復(fù)位脈沖期間出現(xiàn)電源跌落,，復(fù)位脈沖至少再維持140ms,。在掉電期間，一旦電源電壓VCC降到復(fù)位門限以下,，只要VCC不比1.0V還低,，就能使RESET維持高電平。

　　3.3 TII接口模塊

　　TII接口是硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn),，該接口不是一種額外的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，而是連接NCAP和STIM的接口,，主要定義二者之間的點(diǎn)對點(diǎn)連接，同步時(shí)鐘的短距離接口,。TII是基于SPI協(xié)議的串口通信接口,，其中DIN，DOUT,，DCLK和NIOE完成通訊功能,，NTRIG和NACK實(shí)現(xiàn)與STIM有關(guān)的通道讀寫、觸發(fā)和應(yīng)答,，STIM使用NINT信號要求從NCAP得到服務(wù),，NCAP使用NSDET信號檢測STIM模塊，實(shí)現(xiàn)STIM的即插即用,。系統(tǒng)采用ADUC812的SPI總線和其它的I/O資源來模擬實(shí)現(xiàn)TII十線接口,。連接示意圖如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)STIM模塊的熱插拔,，需對TII接口的供電電源進(jìn)行處理,，可以在STIM方面加入熱插拔保護(hù)電路，當(dāng)然也可以在NCAP方面加入保護(hù)電路,。本系統(tǒng)在NCAP方面加入了保護(hù)電路,。

　　3.4 信號調(diào)理存儲電路設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電信號與ADC的輸入范圍并不一定匹配,，因而,，一般不直接送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，必需對輸入的信號進(jìn)行信號調(diào)理,，經(jīng)過信號調(diào)理后的模擬信號符合ADC的要求,。將傳感器送來的信號送入放大器OPA4350，此時(shí)放大器OPA4350形成一個(gè)電壓跟隨器,，起到阻抗變換的作用,，以增大輸出電流。從放大器輸出的信號輸入ADUC812控制器的AD轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,。

　　由于ADUC812內(nèi)部只有256字節(jié)數(shù)據(jù)RAM,，因此，需外擴(kuò)大容量RAM,，在此選用了IS61C256,，擴(kuò)展了32K數(shù)據(jù)區(qū)?？紤]到ADUC812內(nèi)部集成了640字節(jié)Flash,，可以作為電子數(shù)據(jù)表格的存儲區(qū)，所以無需外擴(kuò)Flash存儲器,。

　　3.5 在線下載與調(diào)試

　　程序存儲器陣列可以按兩種模式之一來編程:一種是串行下載(在線編程)模式,；另一種是并行編程模式,。并行編程模式與常規(guī)的第三方提供的閃速或EEPROM器件編程器完全兼容，但應(yīng)用起來較復(fù)雜,，需要對ADUC812中支持并行編程所需的外部引腳進(jìn)行配置,。所以，在本模塊的開發(fā)和調(diào)試過程中采用的是串行下載模式,。作為工廠引導(dǎo)代碼的一部分,，ADUC812本身具有在線編程的程序，使經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)UART串行接口實(shí)現(xiàn)串行代碼下載變得容易,，只需通過一個(gè)與地相連的1kΩ電阻將ADUC812的/PSEN引腳拉至低電平,，那么上電時(shí)器件將自動進(jìn)入串行下載模式。本系統(tǒng)使用圖4的RS-232接口電路,，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與ADUC812的串行接口通信,。

　　4 傳感器模塊軟件設(shè)計(jì)

　　程序軟件是系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)依靠程序軟件的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)傳感器模塊的所有功能,。程序軟件的合理設(shè)計(jì)可以有效的發(fā)揮擴(kuò)展系統(tǒng)硬件的功能,。本模塊的軟件設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)化來自于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的處理器是與51系列單片機(jī)兼容的ADUC812,，可以采用面向MCS-51的程序設(shè)計(jì)語言,，包括ASM51匯編語言和C51高級語言。與以往的80C51單片機(jī)不同,，ADUC812具有在線調(diào)試和下載功能,，它由支持ADUC812的開發(fā)工具包Quickstart開發(fā)系統(tǒng)來提供。也就是說,，在用戶系統(tǒng)保留ADUC812的情況下,，通過開發(fā)系統(tǒng)與ADUC812的串行接口通信，直接對用戶系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,。

　　1,、STIM的軟件模塊。

　　STIM必須包含一個(gè)TEDS,、控制與狀態(tài)寄存器,、通道、中斷標(biāo)志,、地址和函數(shù)編譯邏輯,、數(shù)據(jù)傳輸與處理函數(shù)，觸發(fā)和觸發(fā)承認(rèn)函數(shù),、一個(gè)TII驅(qū)動和一個(gè)傳感器接口。IEEE1451.2STIM的軟件分了四個(gè)主要部分:(1)傳感器接口STIM模塊,；(2)傳感器獨(dú)立接口TII模塊,；(3)電子數(shù)據(jù)表格TEDS模塊,；(4)地址與函數(shù)功能模塊。

　　2,、數(shù)據(jù)采集程序,。

　　為了使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到高精度的數(shù)據(jù)，不但硬件上需要采取上述的一些抗干擾以及提高精度的措施,，如對供電電源進(jìn)行嚴(yán)格穩(wěn)壓處理,，對ADC輸入信號進(jìn)行RC高頻濾波，采用高精度,、高穩(wěn)定度的ADC基準(zhǔn)源,，采用高精度的傳感器等等，同時(shí)軟件上的優(yōu)化也相當(dāng)重要,，合適的軟件設(shè)計(jì)能進(jìn)一步提高精度,，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體性能。

　　3,、TEDS下載程序,。

　　本系統(tǒng)的TEDS下載程序是RS232串行通訊程序，分為單片機(jī)程序和上位機(jī)程序兩部分組成,。這里研究單片機(jī)程序的開發(fā),。PC機(jī)和單片機(jī)之間要實(shí)現(xiàn)串行通信，除了要遵守RS232串行通訊協(xié)議外,，還必須具有各自的通信應(yīng)用軟件,。通信軟件的設(shè)計(jì)思路是：PC機(jī)為主動方式，在通訊開始后由PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送請求,，單片機(jī)返回應(yīng)答信號,，通訊正常后，單片機(jī)根據(jù)PC機(jī)發(fā)送來的命令,，執(zhí)行相應(yīng)功能并應(yīng)答,。單片機(jī)流程圖如圖5。

 　　5 系統(tǒng)測試

　　本測試系統(tǒng)的大體設(shè)計(jì)思路是：以ADUC812作為下位機(jī),，當(dāng)接收到上位機(jī)的指令采集數(shù)據(jù),，通過串口將采集到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)將得到的測試數(shù)據(jù)很容易被轉(zhuǎn)化成直觀的圖表等形式,，并可以保存于計(jì)算機(jī)中以便將來使用,。本系統(tǒng)需要為單片機(jī)和上位機(jī)分別編制軟件，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的溝通,，本系統(tǒng)采用VB來編寫上位機(jī)的程序,，用匯編語言來編寫ADUC812的程序。由于VB具有MSCOMM控件，我們可以很方便地用串口來采集所需要的數(shù)據(jù),。而且,，VB的程序通俗易懂，移植性較強(qiáng),，開發(fā)簡單,、周期短，繪圖功能強(qiáng)大,，特別適合應(yīng)用到需要繪制曲線的系統(tǒng),。