基于IEEE1451标准接口的智能传感器硬件设计

2010-04-20 17:55:18来源: 刘文怡 韩志军

  1 引言

  微处理器带来的数字化革命到虚拟仪器的飞速发展.对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求越来越高,传统的传感器已不能适应多种测试要求,随着微处理智能技术和微机械加工技术在传感器上的应用,智能传感器(Smart Sen—sor)诞生了。所谓智能传感器,就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器实现的途径一般有3种方式:①非集成化实现是将传统的经典传感器、信号调理电路、带数字接口的微处理器组合为一整体,而构成的一个智能传感器系统。②集成化实现的传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术,利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元,并把其集成到一块芯片上构成。固又称为集成智能传感器。③混合实现是根据需要,将系统各个集成化环节,如:敏感单元、信号调理电路、微处理单元、数字总线接口,以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上,并装在一个外壳里。这里采用非集成化实现的方式。

  IEEE1451是一种新的通用智能化传感器接口标准。IEEE1451标准为即插即用智能传感器与现有的各种总线提供了通用的接口标准。IEEE标准的提出,为提高全球范围内传感器技术水平提供了坚实的基础,为测试系统的智能化提供了基本前提。在设计中,基于IEEEl45l.4标准提出了一种新的接口,使传感器既可以输出模拟信号也可也输出数字信号,使得普通的传感器可以实现智能化。

  2 智能传感器的硬件设计

  硬件设计主要介绍信号调理模块、A/D转换模块、数据通信模块3个模块。传感器采用加速度传感器ADXL250,ADXL250是ADI公司推出的低噪声、低功耗的二维加速度计。它是利用ADI公司创始的微电子机械系统MEMS技术制造的。中央微处理器采用C805lF060,其内部集成2个16位 SAR(逐次逼近型)A/D转换器,8通道10位SAR A/D转换器,可完成模拟信号模数转换功能,是整个系统的控制、通讯核心。一方面它对传感器输出的信号进行采集、转换,另一方面中央处理器对EEPROM实现数据传输。中央微处理器包含一个可编程内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路,为了减小系统功耗和体积,采用可编程内部振荡器。大多数情况下,从传感器中输出的电信号不能直接送入模数转换器,要经过必要的信号调理电路进行适当的调理,使信号在模数转换电压范围之内,然后经过信号滤波电路,滤掉信号中的杂波成分,才能使其在形式、幅度、信噪比、转换灵敏度和精度等方面达到中央处理器的要求,以提高传感器数字化后的精度。智能传感器硬件设计中,加速度模拟信号经过分压、跟随及滤波等处理后,再进入A/D转换器进行A/D转换,其调理电路框图如图1所示。

  加速度计输出电压为:

  式中:Vs为供电电压,单位为V;Sensitivity为输出的加速度灵敏度,单位为mV/g。ADXL250的灵敏度为38 mV/g;a为输入的加速度,单位为g。

  经过计算输出电压范围为0.9~4.4 V。因为A/D转换器所能采集的电压范围为0~2.4 V,所以必须对加速度信号进行分压,才能正确地被A/D转换器进行模数转换。分压电路采用简单的电阻分压,并用运算放大器进行跟随。分压处理后,输出的加速度信号范围为0.45~2.2V,满足A/D转换器的采集范围。设计中选择了1 MΩ的分压大电阻进行分压,这样做的好处是能提高系统的输入阻抗,减小由于输入阻抗过低对加速度信号的影响。

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关键字:IEEE1451  接口  智能传感器

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2010/0420/article_1169.html
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