基于片上系统芯片的传感器模块软硬件设计
概述: 本文对研制的传感器模块进行了全面的介绍，本系统的研究为IEEE1451网络化智能传感器的研究奠定了一定的基础，为开发各种标准化的IEEE1451传感器模块STIM提供了范例。
1 引言
随着网络时代的到来和信息化要求的不断提高，特别是Internet的不断普及和Intranet在企业中日益增多，为此，将计算机网络技术和智能传感器技术相结合就有必要和可能。智能传感器网络概念由此而产生。智能传感器网络化技术致力于研究智能传感器的网络通信功能，将传感器技术，通信技术和计算机技术融合，实现信息的采集、传输和处理真正统一和协同。本文研制了一种基于片上系统芯片的传感器模块软硬件设计。
2 传感器模块硬件系统结构
传感器模块(STIM)原理框图如图1所示，主要包括：变送器阵列模块、信号调理模块、多通道数据采集模块、TEDS模块及TII智能接口等部分。为了增强系统的集成度，设计采用了集成式的片上数据采集系统ADUC812。
传感器的输出信号经调理模块放大调理，输入至ADUC812片内的多通道ADC，ADC对相应通道模数转换后，存储于RAM中，然后通过TII智能接口将数据读入NCAP。为了方便TEDS内容的升级与更新，系统采用异步串行口来下载电子数据表格至ADUC812的片内FLASH。此外，异步串行口还可用来下载和调试用户程序，方便系统开发。
3 传感器系统硬件详细设计
3.1 STIM传感器前端信号采集电路设计
温度传感器采用AD公司的AD590芯片实现的，它是单片集成两端感温电流源。其电路原理图如图2所示，其中R1=5.1KΩ，R2=R3=10KΩ，R4=2KΩ，R5和R6分别选10KΩ的电位器。AD590受温度变化产生电流信号时，在电阻R1两端产生电势差，从而在运放输入端产生电压信号，由加法电路进行调节零点漂移；由运放OP07进行比例放大，放大倍数由电位器R6调节，使测试温度范围在0~65℃，输出电压相应为0~2.5V。
3.2 复位电路设计
ADUC812需要外接POR(Power-on reset，上电复位)电路。上电复位电路在电源电压低于2.5V时，要使RESET引脚保持高电平；而且，在电源电压高于2.5V时，RESET引脚保持低电平至少10ms。在本模块中采用专门的POR芯片ADM810设计的POR电路。ADM810是CMOS监控电路芯片，能够监控电源电压、电源故障和微处理器的工作状态。复位信号RESET用于启动或重新启动CPU，在上电期间只要电源电压VCC大于1.0V，就能保证输出高电平电压。在VCC上升期间RESET保持高电平直到电源电压升至复位门(4.65V)以上，在超过此门限后，内部定时器大约再维持200ms后释放RESET，使其返回低电平。无论何时，只要电源电压降低到复位门限以下(即电源跌落)，RESET引脚就会变高，如果在已经开始的复位脉冲期间出现电源跌落，复位脉冲至少再维持140ms。在掉电期间，一旦电源电压VCC降到复位门限以下，只要VCC不比1.0V还低，就能使RESET维持高电平。
3.3 TII接口模块
TII接口是硬件设计的重点，该接口不是一种额外的网络协议，而是连接NCAP和STIM的接口，主要定义二者之间的点对点连接，同步时钟的短距离接口。TII是基于SPI协议的串口通信接口，其中DIN，DOUT，DCLK和NIOE完成通讯功能，NTRIG和NACK实现与STIM有关的通道读写、触发和应答，STIM使用NINT信号要求从NCAP得到服务，NCAP使用NSDET信号检测STIM模块，实现STIM的即插即用。系统采用ADUC812的SPI总线和其它的I/O资源来模拟实现TII十线接口。连接示意图如图3所示。为了实现STIM模块的热插拔，需对TII接口的供电电源进行处理，可以在STIM方面加入热插拔保护电路，当然也可以在NCAP方面加入保护电路。本系统在NCAP方面加入了保护电路。
3.4 信号调理存储电路设计
数据采集系统的设计过程中，输入数据采集系统的电信号与ADC的输入范围并不一定匹配，因而，一般不直接送入ADC进行转换，必需对输入的信号进行信号调理，经过信号调理后的模拟信号符合ADC的要求。将传感器送来的信号送入放大器OPA4350，此时放大器OPA4350形成一个电压跟随器，起到阻抗变换的作用，以增大输出电流。从放大器输出的信号输入ADUC812控制器的AD转换通道进行数据采集。
由于ADUC812内部只有256字节数据RAM，因此，需外扩大容量RAM，在此选用了IS61C256，扩展了32K数据区。考虑到ADUC812内部集成了640字节FLASH，可以作为电子数据表格的存储区，所以无需外扩FLASH存储器。
3.5 在线下载与调试
程序存储器阵列可以按两种模式之一来编程:一种是串行下载(在线编程)模式；另一种是并行编程模式。并行编程模式与常规的第三方提供的闪速或EEPROM器件编程器完全兼容，但应用起来较复杂，需要对ADUC812中支持并行编程所需的外部引脚进行配置。所以，在本模块的开发和调试过程中采用的是串行下载模式。作为工厂引导代码的一部分，ADUC812本身具有在线编程的程序，使经过标准UART串行接口实现串行代码下载变得容易，只需通过一个与地相连的1kΩ电阻将ADUC812的/PSEN引脚拉至低电平，那么上电时器件将自动进入串行下载模式。本系统使用图4的RS-232接口电路，从而实现上位机与ADUC812的串行接口通信。
4 传感器模块软件设计
程序软件是系统的灵魂，系统依靠程序软件的运行实现传感器模块的所有功能。程序软件的合理设计可以有效的发挥扩展系统硬件的功能。本模块的软件设计模型的结构化来自于IEEE1451.2标准的结构。系统的处理器是与51系列单片机兼容的ADUC812，可以采用面向MCS-51的程序设计语言，包括ASM51汇编语言和C51高级语言。与以往的80C51单片机不同，ADUC812具有在线调试和下载功能，它由支持ADUC812的开发工具包Quickstart开发系统来提供。也就是说，在用户系统保留ADUC812的情况下，通过开发系统与ADUC812的串行接口通信，直接对用户系统进行调试。
1、STIM的软件模块。
STIM必须包含一个TEDS、控制与状态寄存器、通道、中断标志、地址和函数编译逻辑、数据传输与处理函数，触发和触发承认函数、一个TII驱动和一个传感器接口。IEEE1451.2STIM的软件分了四个主要部分:(1)传感器接口STIM模块；(2)传感器独立接口TII模块；(3)电子数据表格TEDS模块；(4)地址与函数功能模块。
2、数据采集程序。
为了使数据采集系统得到高精度的数据，不但硬件上需要采取上述的一些抗干扰以及提高精度的措施，如对供电电源进行严格稳压处理，对ADC输入信号进行RC高频滤波，采用高精度、高稳定度的ADC基准源，采用高精度的传感器等等，同时软件上的优化也相当重要，合适的软件设计能进一步提高精度，提高数据采集系统整体性能。
3、TEDS下载程序。
本系统的TEDS下载程序是RS232串行通讯程序，分为单片机程序和上位机程序两部分组成。这里研究单片机程序的开发。PC机和单片机之间要实现串行通信，除了要遵守RS232串行通讯协议外，还必须具有各自的通信应用软件。通信软件的设计思路是：PC机为主动方式，在通讯开始后由PC机向单片机发送请求，单片机返回应答信号，通讯正常后，单片机根据PC机发送来的命令，执行相应功能并应答。单片机流程图如图5。
5 系统测试
本测试系统的大体设计思路是：以ADUC812作为下位机，当接收到上位机的指令采集数据，通过串口将采集到的数据传给上位机，上位机将得到的测试数据很容易被转化成直观的图表等形式，并可以保存于计算机中以便将来使用。本系统需要为单片机和上位机分别编制软件，以实现数据的沟通，本系统采用VB来编写上位机的程序，用汇编语言来编写ADUC812的程序。由于VB具有MSCOMM控件，我们可以很方便地用串口来采集所需要的数据。而且，VB的程序通俗易懂，移植性较强，开发简单、周期短，绘图功能强大，特别适合应用到需要绘制曲线的系统。