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(tǒng)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(tǒng)。②集成化實現的傳感器系統(tǒng)是采用微機械加工技術和大規(guī)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(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，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(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(chuàng)始的微電子機械系統(tǒng)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(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(tǒng)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(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。