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基于片上系统芯片的传感器模块软硬件设计

2010年04月16日 13:48 次阅读

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。

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采用红外光源和传感器的气体检测参考设计方案

该参考设计方案的原理:红外光源发射出2-14μm的红外光,通过一定长度的气室吸收后,由带4.26μm...

发表于 2018-04-01 08:26 1422次阅读
采用红外光源和传感器的气体检测参考设计方案

人工智能发展现状分析 类脑智能有望率先突破

2017年中国人工智能核心产业规模超过700亿元,随着国家规划的出台,各地人工智能相关建设将逐步启动...

发表于 2018-03-31 11:21 580次阅读
人工智能发展现状分析 类脑智能有望率先突破

平衡小车卡尔曼滤波算法使用心得

就是这样,卡尔曼滤波器就不断的把covariance递归,从而估算出最优的温度值。他运行的很快,而且...

发表于 2018-03-31 10:46 691次阅读
平衡小车卡尔曼滤波算法使用心得

司机将失业?沪无人驾驶车测试,车身遍布传感器实现...

车辆前方、侧方、后方,均有由摄像头、雷达组成的传感器,360°了解车辆周遭环境,避免人类驾驶员的视觉...

发表于 2018-03-31 10:19 307次阅读
司机将失业?沪无人驾驶车测试,车身遍布传感器实现...

“今天摄入 216.3 卡路里” 在牙齿上安装传...

把传感器植入皮肤已经不算是新鲜事了,可你见过把传感器植入牙齿吗? 虽然听上去不可思议,但事实上,来自...

发表于 2018-03-31 09:49 253次阅读
“今天摄入 216.3 卡路里” 在牙齿上安装传...

为何MEMS传感器越来越受到青睐?

以可穿戴市场为例,目前正在开发的传感器包括气体传感器和生物传感器,这些器件将会让穿戴产品变得更实用,...

发表于 2018-03-31 09:44 2101次阅读
为何MEMS传感器越来越受到青睐?

半导体传感器和MEMS标准化进展飞速

MEMS传感器是目前市场应用较为成熟的MEMS器件,其中MEMS惯性传感器、MEMS麦克风几乎已成为...

发表于 2018-03-31 09:24 248次阅读
半导体传感器和MEMS标准化进展飞速

基于EFM32xx系列MCU内部集成的无磁水表计...

随着时代发展,智能水表替代部分传统机械水表,得到广泛应用。而智能水表的计量方式也随着电子技术的发展越...

发表于 2018-03-31 08:52 207次阅读
基于EFM32xx系列MCU内部集成的无磁水表计...

确度高达99%的智能泊车传感器设计方案

该产品具有两种不同的检测系统,可在最佳条件下可提供高达99%的精确度。

发表于 2018-03-31 08:36 784次阅读
确度高达99%的智能泊车传感器设计方案

西人马聂泳忠:将中国传感器技术带到国际领先水平

做高端技术企业,不懂技术是行不通的——聂泳忠博士 经常穿梭于几个城市,一手拉着行李箱,一手忙于回复工...

发表于 2018-03-31 07:41 312次阅读
西人马聂泳忠:将中国传感器技术带到国际领先水平

边缘计算对“芯”需求 英特尔至强D-1500加速...

近两年来,边缘计算这个词频繁被提及,得益于前期ETSI、3GPP等国际标准组织的推动,2016年在国...

发表于 2018-03-30 17:31 57次阅读
边缘计算对“芯”需求 英特尔至强D-1500加速...

展讯SC8810的参数与功能介绍(含sc8810...

 展讯SC8810的参数与功能介绍SC8810的工艺说明:采用40纳米CMOS工艺,是一款高集成度、...

发表于 2018-03-30 17:10 493次阅读
展讯SC8810的参数与功能介绍(含sc8810...

物联网技术的竞逐舞台上,LoRa强化优势求突围

随着物联网技术这几年被高度关注,耳熟能详如窄频物联网、LTE-M、Wi-SUN及Sigfox等众多的...

发表于 2018-03-30 16:13 365次阅读
物联网技术的竞逐舞台上,LoRa强化优势求突围

s912对比rk3399哪个强

早在一年前这款芯片就已经引起了广泛重视,跳票半年之久后面市为智能机顶盒注入新活力。它拥有64位 八核...

发表于 2018-03-30 15:41 258次阅读
s912对比rk3399哪个强

带你认知主板上的主要芯片

小编带你认知主板上的主要芯片。时钟芯片需要和14.318MHz的晶振连接在一起,为主板上的其他部件提...

发表于 2018-03-30 15:16 283次阅读
带你认知主板上的主要芯片

工业物联网行情:工业设备监控需求上升,边缘分析扮...

随着NB-IoT、LoRa以及5G技术的推进,2018年将迎来更多新的机遇,特别是在工业领域隐藏着巨...

发表于 2018-03-30 15:02 263次阅读
工业物联网行情:工业设备监控需求上升,边缘分析扮...

物联网+人工智能趋势下电机预测性维护的全新变革

目前物联网在工业领域最大的应用是预测性维护,要保证生产线长年24小时持续的运行,在过去是很难实现的,...

发表于 2018-03-30 14:54 157次阅读
物联网+人工智能趋势下电机预测性维护的全新变革

Marvell宣布推出基于NVMExpress(...

88SS1098和88SS1088是Marvell最新推出的支持单端口和双端口功能、NVMe 1.3...

发表于 2018-03-30 11:39 173次阅读
Marvell宣布推出基于NVMExpress(...

苹果对AR的野心可真大!

今天我们要说的不是这次苹果发布的产品,而是最近苹果公布的几个VR和AR眼镜方面的专利。

发表于 2018-03-30 10:59 481次阅读
苹果对AR的野心可真大!

集成电路芯片在哪些新兴应用领域有发展趋势?

从六个方面入手,分析了集成电路芯片在新兴应用领域的发展趋势。从 2010 年开始,在硅麦克风、惯性传...

发表于 2018-03-30 09:55 601次阅读
集成电路芯片在哪些新兴应用领域有发展趋势?

传感器业务爆发 艾迈斯半导体加码3D感测

根据研究机构的数据显示,2015年全球物联网市场规模已达到624亿美元,同比增长29%。到2018年...

发表于 2018-03-29 17:12 106次阅读
传感器业务爆发 艾迈斯半导体加码3D感测

传感之王ams 2017年实现100%营收增长,...

Alexander Everke表示:“我们可以把所有的这些传感功能集成到单芯片上,因此,它可以做得...

发表于 2018-03-29 16:57 1378次阅读
传感之王ams 2017年实现100%营收增长,...

雷达芯片让设计公司和半导体企业实现无缝链接

作为欧盟项目SiGe HBT 工艺为基础的DOTSEVEN (0.7Thz)和 RF2THz SIS...

发表于 2018-03-29 16:11 350次阅读
雷达芯片让设计公司和半导体企业实现无缝链接

物联网传感器的未来等相关问题进行讨论

BMI085一款高性能6轴惯性测量单元(IMU)BMI085,其将3轴16位MEMS加速度传感器和一...

发表于 2018-03-29 15:51 309次阅读
物联网传感器的未来等相关问题进行讨论

中美贸易战是否会对集成电路产业造成大的影响?

“特朗普上周正式打响对华贸易战,引发双方唇枪舌战。经过一周的你来我往,事态不断升级,不过最新消息称,...

发表于 2018-03-29 15:40 438次阅读
中美贸易战是否会对集成电路产业造成大的影响?

科技公司合作开发芯片、韩国推出VR试衣、海信打造...

Google、特斯拉、三星、高通等80家科技公司准备组队研发一种新的芯片设计模式,这部分业务正是AR...

发表于 2018-03-29 13:59 607次阅读
科技公司合作开发芯片、韩国推出VR试衣、海信打造...

你知道吗?迷你芯片还能代替人类接受药物实验!

研究人员希望通过这个迷你芯片,了解在制作针对特定器官的药物时,是否会对其它器官产生意想不到的副作用。

发表于 2018-03-29 13:43 149次阅读
你知道吗?迷你芯片还能代替人类接受药物实验!

【转帖】电流传感器和互感器

发表于 2018-03-27 15:43 34次阅读
【转帖】电流传感器和互感器

BP6308AP 三相正正弦波电机驱动芯片,专用芯片DC6-30V,内置Driver。

发表于 2018-03-27 15:32 75次阅读
BP6308AP 三相正正弦波电机驱动芯片,专用芯片DC6-30V,内置Driver。

关于基恩士的颜色传感器的用法

发表于 2018-03-27 12:03 225次阅读
关于基恩士的颜色传感器的用法

虚拟仪器在位移测试系统中的应用

发表于 2018-03-26 14:27 201次阅读
虚拟仪器在位移测试系统中的应用

回收安捷伦U8487A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:31 70次阅读
回收安捷伦U8487A功率传感器

回收安捷伦U8488A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:30 89次阅读
回收安捷伦U8488A功率传感器

回收安捷伦U8481A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:26 70次阅读
回收安捷伦U8481A功率传感器

回收安捷伦U8485A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:22 70次阅读
回收安捷伦U8485A功率传感器

回收安捷伦U2020平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:17 72次阅读
回收安捷伦U2020平均功率传感器

回收安捷伦U2022XA平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:10 70次阅读
回收安捷伦U2022XA平均功率传感器