1 引言
微處理器帶來的數字化革命到虛擬儀器的飛速發展．對傳感器的綜合精度、穩定可靠性和響應要求越來越高，傳統的傳感器已不能適應多種測試要求，隨著微處理智能技術和微機械加工技術在傳感器上的應用，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。智能傳感器實現的途徑一般有3種方式：①非集成化實現是將傳統的經典傳感器、信號調理電路、帶數字接口的微處理器組合為一整體，而構成的一個智能傳感器系統。②集成化實現的傳感器系統是采用微機械加工技術和大規模集成電路工藝技術，利用硅作為基本材料制作敏感元件、信號調理電路、微處理單元，并把其集成到一塊芯片上構成。固又稱為集成智能傳感器。③混合實現是根據需要，將系統各個集成化環節，如：敏感單元、信號調理電路、微處理單元、數字總線接口，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，為提高全球范圍內傳感器技術水平提供了堅實的基礎，為測試系統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字信號，使得普通的傳感器可以實現智能化。
2 智能傳感器的硬件設計
硬件設計主要介紹信號調理模塊、A／D轉換模塊、數據通信模塊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公司創始的微電子機械系統MEMS技術制造的。中央微處理器采用C805lF060，其內部集成2個16位 SAR(逐次逼近型)A／D轉換器，8通道10位SAR A／D轉換器，可完成模擬信號模數轉換功能，是整個系統的控制、通訊核心。一方面它對傳感器輸出的信號進行采集、轉換，另一方面中央處理器對EEPROM實現數據傳輸。中央微處理器包含一個可編程內部振蕩器和一個外部振蕩器驅動電路，為了減小系統功耗和體積，采用可編程內部振蕩器。大多數情況下，從傳感器中輸出的電信號不能直接送入模數轉換器，要經過必要的信號調理電路進行適當的調理，使信號在模數轉換電壓范圍之內，然后經過信號濾波電路，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，以提高傳感器數字化后的精度。智能傳感器硬件設計中，加速度模擬信號經過分壓、跟隨及濾波等處理后，再進入A／D轉換器進行A／D轉換，其調理電路框圖如圖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。
經過計算輸出電壓范圍為0．9～4．4 V。因為A／D轉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轉換器進行模數轉換。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。設計中采用集成開關電容濾波器MAX291對傳感器信號進行模擬濾波。MAX291是MAXIM公司生產的8階巴特沃斯型開關電容式有源低通濾波器。MAX291的可靠性和穩定性高，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。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：
設計中直接采用MAX291內部振蕩器，外接0．1μF的電容。圖2是濾波電路的濾波效果對比圖。
在設計中由于系統緊湊性設計的特殊需要，選用微處理器集成的模數轉換器，同時也節約了成本。C8051F060的A／D轉換器系統包括兩個lMs／s、16位分辨率的逐次逼近寄存器型A／D轉換器，A／D轉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轉換采用內部電壓基準，可以通過相應的控制寄存器進行配置。內部電壓基準電路由一個溫度穩定性好的1．2 V帶隙電壓基準發生器和一個2倍增益的輸出緩沖放大器組成。ADCO的電壓基準電路由基準控制寄存器REFOCN控制。REFOCN寄存器用于獨立地使能／禁止ADCO的內部基準和偏置發生器電路。BIASE0位使能ADC0的內部偏置發生器。該位為‘1’時，ADC0內部偏壓發生器工作。設計中使用的是ADC0內部電壓基準，則必須使ADC0所對應的BLASE0和REFBEO位都被置‘1’，內部2．4 V電壓基準輸出到VREFO引腳。VREF0引腳對AGND的最大負載必須小于100μA，應在VREF0引腳與VRGND0之間接入0．1μF和47μF的旁路電容。使用ADC0時，應將ADCO電壓基準接地引腳VRGNDO接地．經過上述合理的設計后，系統中測得的電壓基準約為2．44 V。ADCO的最高轉換速度為1 Ms／s，轉換時鐘來自系統時鐘分頻，寄存器ADCOCF中的ADCOSC位決定每個轉換時鐘為多少個系統時鐘(1～16)。ADCO有4種轉換啟動方式，由ADCOCN中的ADC0啟動轉換方式位(ADOCMl，AD0CM0)的狀態決定。轉換觸發源有：
①向ADCOCN的AD0BUSY位寫1；
②定時器3溢出(即定時的連續轉換)；
③外部A／D轉換器轉換啟動信號CNVSTR0的上升沿；
④定時器2溢出(即定時的連續轉換)。
其中第3種為外部觸發源，另外3種為內部觸發源。ADOBUSY位在轉換期間被置‘1’，轉換結束后復‘O’。ADOBUSY位的下降沿觸發中斷并將中斷標志ADOINT(ADCOCN．5)置‘1’。在單端方式下，ADC0的轉換數據被保存在ADC0數據字的MSB和LSB寄存器：ADCOH和ADCOL。當通過向ADOBUSY寫‘1’啟動數據轉換時，應查詢ADOINT。位以確定轉換何時結束。A／D轉換流程如圖3所示。
在設計中，數據的通信是創新點。IEEEl451.4標準的接口要求既能輸出模擬信號，又能輸出數字信號。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。根據這個要求，設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，又能輸出數字信號。模擬信號即傳感器直接輸出經過調理后的信號。數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產品的有關信息。這些系列或產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的通訊通過單線協議進行。DS2431的主要作用是向微處理器提供儲存在其內部的TEDS。要實現與DS2431的通信，核心是掌握好1一Wire器件信號收發時序的問題。為了保證數據的完整性，DS243l對通信協議有很嚴格的要求。DS2431的通信協議主要包括4種信號類型：初始化信號(包括1個復位脈沖和1個應答脈沖)，寫O，寫1，讀數據。這些信號中，除了應答脈沖以外，都是由總線控制單元發出。為保證數據可靠的傳輸，任何時刻單總線上只能有一個數據，每次數據和命令傳輸通常從復位命令開始，隨后是ROM命令和RAM命令，最后進行數據交換，必須嚴格遵守這個命令序列，才能保證數據的正確傳輸。
3 結語
在充分研究IEEEl451．4標準接口的基礎上，完成了智能傳感器的硬件電路設計。通過實驗，從控制軟件上可以收到傳感器輸出的信號，所提出電路設計方案切實可行。