基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)

近年來隨著傳感器技術(shù)和信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，工程應(yīng)用中對(duì)傳感器的測(cè)量精度、數(shù)據(jù)傳輸距離和信息處理能力都提出了更高的要求。為了克服普通力敏、光敏傳感器抗干擾能力差、傳輸距離短、調(diào)零難、測(cè)量節(jié)點(diǎn)無法直接與上位機(jī)通信等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種以 Freescale MC9S08SH4 單片機(jī)和 AD7705 為核心構(gòu)成的智能傳感器系統(tǒng)，在普通傳感器上增加了軟件調(diào)零、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)補(bǔ)償、與上位機(jī)雙向通訊、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出等功能，可以很方便地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，并具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1、系統(tǒng)組成
智能傳感器系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、主控電路、調(diào)零電路、RS-485 通信電路和電源電路等模塊組成。其中信號(hào)調(diào)理模塊負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸出的 mV 級(jí)差分信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和放大；A/D 轉(zhuǎn)換模塊將信號(hào)調(diào)理模塊輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供 MCU 處理；調(diào)零模塊可以在任意時(shí)刻將當(dāng)前的輸入值設(shè)置為參考零點(diǎn)；RS-485 通信模塊實(shí)現(xiàn)主控電路與上位機(jī)之間的通信；電源模塊為主控電路、傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊和 RS-485 通信模塊提供電源。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2、功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

傳感器的輸出信號(hào)一般為 mV 級(jí)的差分信號(hào)，傳統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路是在 A/D 轉(zhuǎn)換前加一級(jí)或多級(jí)高精度的放大電路，這樣不但增加了成本，電路也較為復(fù)雜。而 AD7705 具有完整的模擬前端，內(nèi)置增益可編程放大器（PGA）和可編程數(shù)字濾波器，能直接對(duì)傳感器輸出的 mV 級(jí)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、濾波、放大和 A/D 轉(zhuǎn)換，然后串行輸出，無需使用外部儀表放大器，極大地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

AD7705 的 A/D 轉(zhuǎn)換功能也很強(qiáng)，其采用的Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)最高可實(shí)現(xiàn) 16 位無誤碼傳輸。在本次設(shè)計(jì)中，AD7705 的兩個(gè)全差分模擬輸入通道可以同時(shí)滿足兩路傳感器輸出信號(hào)的輸入，通過軟件編程可以方便地對(duì)信號(hào)增益、極性、輸入通道、數(shù)據(jù)輸出更新率和數(shù)字濾波器進(jìn)行設(shè)置。AD7705 電路模塊如圖 2 所示。其中，傳感器輸出信號(hào)直接接入 AD7705 的差分模擬輸入通道 AIN1 端。

2.2 主控模塊

智能傳感器系統(tǒng)的主控 MCU 選用的是 MC9S08SH4，屬于 Freescale 公司 S08 系列 8 位單片機(jī)，具有體積小、速度快，片上資源豐富、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其最大時(shí)鐘頻率為 20 MHz，片上資源包括 4 KB Flash、512 B RAM、8 路鍵盤中斷、SCI 接口、SPI 接口、IIC 總線等模塊，采用 TSSOP16 封裝，尺寸很小，非常適用于本系統(tǒng)。為了盡量減小電路板面積，本次設(shè)計(jì)中 MC9S08SH4 的編程接口沒有使用標(biāo)準(zhǔn)的 6 芯 BDM 接口，而采用自定義的 4 芯接口，最小系統(tǒng)如圖 3 所示。

2.3 調(diào)零模塊

調(diào)零模塊有兩個(gè)作用，一是在每次測(cè)量前讓傳感器歸零，二是在測(cè)量過程中即時(shí)設(shè)置參考零點(diǎn)。

傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)零方法是在電路中增加一個(gè)電位器，利用改變分壓值的方法進(jìn)行調(diào)零。這種方法調(diào)節(jié)速度很慢，準(zhǔn)確性也比較差。本設(shè)計(jì)中采用的是軟件調(diào)零方法，首先利用鍵盤中斷采集傳感器零輸入時(shí)的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果作為參考零點(diǎn)，并存放到一個(gè)全局變量中；以后每次 A/D 轉(zhuǎn)換的值都與全局變量中的參考零點(diǎn)相比較，即可得到校正后的結(jié)果。軟件調(diào)零方法準(zhǔn)確度高、調(diào)節(jié)速度非常快，特別適用于在測(cè)量過程中即時(shí)設(shè)置參考零點(diǎn)。

2.4 RS-485 通信模塊

系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信采用 RS-485 通信協(xié)議。在實(shí)際應(yīng)用中，一臺(tái)上位機(jī)需要拖掛多個(gè)傳感器，并且對(duì)傳輸距離有較高的要求。RS-485 串行總線接口采用平衡發(fā)送和差分接收的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，較 RS-232 提高了抗共模干擾能力和傳輸距離；并且 RS-485 總線能用于多個(gè)帶有 RS-485 接口的設(shè)備互連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速遠(yuǎn)距離傳送。本系統(tǒng)中采用的 RS-485 通信芯片為 MAX1487，輸入口 DI 和輸出口 RO 分別和 MC9S08SH4 的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端 TXD 和串行數(shù)據(jù)接收端 RXD 相連。讀寫使能端連接在一起，由 MC9S08SH4 的 PTA1 引腳控制。當(dāng) PTA1 輸出高電平時(shí)，傳感器系統(tǒng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng) PTA1 輸出低電平時(shí)，傳感器系統(tǒng)從上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，如圖 4 所示。

2.5 電源模塊

電源模塊采用 24 V 直流輸入，除了為傳感器預(yù)留 24 V、12 V 供電接口外，還為 AD7705、MAX1487、MC9S08SH4 提供 5 V 工作電壓。為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，電源模塊中使用的穩(wěn)壓芯片為小電流的 78L12、78L05 和 LM1117（SOT-223 封裝）各一片。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)功率很小，所以電源模塊發(fā)熱量并不大，能夠保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

3、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要包括 MC9S08SH4 初始化、A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的中值濾波和均值濾波、設(shè)置參考零點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)的浮點(diǎn)化處理、校對(duì)數(shù)據(jù)幀格式、通過 SCI 模塊和 RS-485 通信模塊將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到上位機(jī)。具體流程如圖 5 所示。

上位機(jī)軟件采用 LabVIEW 結(jié)合 SQL 編寫，通過串口和 RS485 通信協(xié)議對(duì)智能傳感器系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，必要時(shí)上位機(jī)軟件可以重新設(shè)置數(shù)字傳感器的通信地址、A/D 轉(zhuǎn)換位數(shù)、數(shù)據(jù)幀格式和串口波特率等參數(shù)，并將采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，便于日后分析整理。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于 Freescale MC9S08SH4 和 AD7705 的智能傳感器系統(tǒng)，充分利用 MC9S08SH4 體積小、速度快，片上資源豐富、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，結(jié)合 AD7705 內(nèi)置的信號(hào)處理電路和高精度？撞 -？駐 A/D 轉(zhuǎn)換器，在普通傳感器上增加了軟件調(diào)零、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、多點(diǎn)測(cè)量、RS-485 雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出等功能，克服了普通力敏、光敏傳感器數(shù)據(jù)傳輸距離短、零點(diǎn)調(diào)節(jié)困難、測(cè)量節(jié)點(diǎn)無法直接與上位機(jī)通信、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該系統(tǒng)具有體積小、測(cè)量精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

審核編輯黃宇