基于片上系統(tǒng)芯片的傳感器模塊設計

隨著網(wǎng)絡時代的到來和信息化要求的不斷提高，特別是Internet的不斷普及和Intranet在企業(yè)中日益增多，為此，將計算機網(wǎng)絡技術(shù)和智能傳感器技術(shù)相結(jié)合就有必要和可能。智能傳感器網(wǎng)絡概念由此而產(chǎn)生。智能傳感器網(wǎng)絡化技術(shù)致力于研究智能傳感器的網(wǎng)絡通信功能，將傳感器技術(shù)，通信技術(shù)和計算機技術(shù)融合，實現(xiàn)信息的采集、傳輸和處理真正統(tǒng)一和協(xié)同。本文研制了一種基于片上系統(tǒng)芯片的傳感器模塊軟硬件設計。

2 傳感器模塊硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器模塊(STIM)原理框圖如圖1所示，主要包括：變送器陣列模塊、信號調(diào)理模塊、多通道數(shù)據(jù)采集模塊、TEDS模塊及TII智能接口等部分。為了增強系統(tǒng)的集成度，設計采用了集成式的片上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADuC812。

傳感器的輸出信號經(jīng)調(diào)理模塊放大調(diào)理，輸入至ADuC812片內(nèi)的多通道ADC，ADC對相應通道模數(shù)轉(zhuǎn)換后，存儲于RAM中，然后通過TII智能接口將數(shù)據(jù)讀入NCAP。為了方便TEDS內(nèi)容的升級與更新，系統(tǒng)采用異步串行口來下載電子數(shù)據(jù)表格至ADuC812的片內(nèi)Flash。此外，異步串行口還可用來下載和調(diào)試用戶程序，方便系統(tǒng)開發(fā)。

3 傳感器系統(tǒng)硬件詳細設計

3.1 STIM傳感器前端信號采集電路設計

溫度傳感器采用AD公司的AD590芯片實現(xiàn)的，它是單片集成兩端感溫電流源。其電路原理圖如圖2所示，其中R1=5.1KΩ，R2=R3=10KΩ，R4=2KΩ，R5和R6分別選10KΩ的電位器。AD590受溫度變化產(chǎn)生電流信號時，在電阻R1兩端產(chǎn)生電勢差，從而在運放輸入端產(chǎn)生電壓信號，由加法電路進行調(diào)節(jié)零點漂移；由運放OP07進行比例放大，放大倍數(shù)由電位器R6調(diào)節(jié)，使測試溫度范圍在0~65℃，輸出電壓相應為0~2.5V。

3.2 復位電路設計

ADuC812需要外接POR(Power-on reset，上電復位)電路。上電復位電路在電源電壓低于2.5V時，要使RESET引腳保持高電平；而且，在電源電壓高于2.5V時，RESET引腳保持低電平至少10ms。在本模塊中采用專門的POR芯片ADM810設計的POR電路。ADM810是CMOS監(jiān)控電路芯片，能夠監(jiān)控電源電壓、電源故障和微處理器的工作狀態(tài)。復位信號RESET用于啟動或重新啟動CPU，在上電期間只要電源電壓VCC大于1.0V，就能保證輸出高電平電壓。在VCC上升期間RESET保持高電平直到電源電壓升至復位門(4.65V)以上，在超過此門限后，內(nèi)部定時器大約再維持200ms后釋放RESET，使其返回低電平。無論何時，只要電源電壓降低到復位門限以下(即電源跌落)，RESET引腳就會變高，如果在已經(jīng)開始的復位脈沖期間出現(xiàn)電源跌落，復位脈沖至少再維持140ms。在掉電期間，一旦電源電壓VCC降到復位門限以下，只要VCC不比1.0V還低，就能使RESET維持高電平。

3.3 TII接口模塊

TII接口是硬件設計的重點，該接口不是一種額外的網(wǎng)絡協(xié)議，而是連接NCAP和STIM的接口，主要定義二者之間的點對點連接，同步時鐘的短距離接口。TII是基于SPI協(xié)議的串口通信接口，其中DIN，DOUT，DCLK和NIOE完成通訊功能，NTRIG和NACK實現(xiàn)與STIM有關的通道讀寫、觸發(fā)和應答，STIM使用NINT信號要求從NCAP得到服務，NCAP使用NSDET信號檢測STIM模塊，實現(xiàn)STIM的即插即用。系統(tǒng)采用ADuC812的SPI總線和其它的I/O資源來模擬實現(xiàn)TII十線接口。連接示意圖如圖3所示。為了實現(xiàn)STIM模塊的熱插拔，需對TII接口的供電電源進行處理，可以在STIM方面加入熱插拔保護電路，當然也可以在NCAP方面加入保護電路。本系統(tǒng)在NCAP方面加入了保護電路。