基于ieeel451标准接口的智能传感器硬件设计

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1、基于IEEE1451标准接口的智能传感器硬件设计刘文怡韩志军时间:2010年0420D字体:关键词:IEEE1451智能传感器1引言微处理器带來的数字化革命到虚拟仪器的飞速发展.对传感器的综合稱度、稳定可靠性和响应要求越來越高，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利微机械加工技术在传感器上的应用，智能传感器(SmartSen-sor)诞主了。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仑为一整体，而构成的一个智能传感器系统。②集成化

2、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，利用硅作为基木材料制作缴感元件、信号调理电路、微处理单元，并把其集成到一块芯片上构成。尚又称为集成智能传感器。③混介实现是根据需要，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。1EEE1451是一种新的通用僧能化传感器接口标准。1EEE1451标准为即插即用钢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，为捉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

3、。在设计中，基于TEEE1451.4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硕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AD1公司推出的低噪声、低功耗的二维加速度计。它是利用AD1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C8051F060，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SARA/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。一方而它对传感器输出的

4、信号进行采集、转换，另一方而中央处理器对EEPR0M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，釆川可编程内部振荡器。大多数情况下，从传感器屮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用Z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、转换灵敬度和精度等方而达到中央处理器的耍求，以提高传感器数字化后的精度。智能传感器硕件设计中，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0.

5、9-4.4V电阻0.45-2.2V电压模拟信号—,B■，，，BT分圧图1信号调理电路加速度计输出电压为:Vs2、...VsSensiiivityx5■亍xa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/gaADXL250的灵敏度为38mV/g；a为输入的加速度，单位为沪经过计算输出电压范围为0.9〜4.4Vo因为A/D转换器所能采集的电压范南为0〜2.4V,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，并用运算放人器进行跟随。分压处理后，输出的加速度信号范围为0.45〜2・2V,满足A/D

6、转换器的采集范囤。设计小选择了1的分压人电阻进行分压，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。滤波是对传感器信号分压后进行的模拟滤波处理。设计中采川集成开关电容滤波器MAX291对传感器信号进行模拟滤波。MAX291是MAXIM公司生产的8阶巴特沃斯熨开关电容式有源低通滤波器。MAX291的叮靠性和稳定性高，避免了分立元件的各种误差、漂移彩响。它的3dB截止频率可在0.1〜25Hz之间选择，具冇固定的归一化频率响应。时钟频率fCLK与截止频率fC的比值为100：1；噪声低，典型值为一70dBTHD+Noiseo如果直接利用MAX291的内部时钟

7、振荡器,只需外接一只电容,其电容值和3dB截止频率则满足：>-（kHz）=3C^W设计屮直接采用MAX291内部振荡器，外接0.1UF的电容。图2是滤波电路的滤波效果对比图。（“）滤波前信号（b）滤波后信号图2滤波电路的滤波效果对比图在设计中由于系统紧凑性设计的特殊需耍，选用微处理器集成的模数转换器，同时也节约了成木。C8051F060的A/D转换器系统包括两个IMs/s、16位分辨率的逐次逼近寄存器型A/D转换器，A/I）转换器屮集成了跟踪保持电路、可编程'窗口检测器和DMA接