傳感器是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規(guī)定的被測量的各種量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號的器件或裝置。目前隨著傳感器技術(shù)和信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，工程應(yīng)用中對傳感器的測量精度、數(shù)據(jù)傳輸距離和信息處理能力都有了一定的要求。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、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)。
1.系統(tǒng)組成
智能傳感器系統(tǒng)由信號調(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。其中信號調(diào)理模塊負(fù)責(zé)對傳感器輸出的mV級差分信號進(jìn)行調(diào)理和放大;A/D轉(zhuǎn)換模塊將信號調(diào)理模塊輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供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。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2.功能模塊設(shè)計(jì)
2.1信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換模塊
傳感器的輸出信號一般為mV級的差分信號，傳統(tǒng)的信號調(diào)理電路是在A/D轉(zhuǎn)換前加一級或多級高精度的放大電路，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，能直接對傳感器輸出的mV級信號進(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的輸入，通過軟件編程可以方便地對信號增益、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，傳感器輸出信號直接接入AD7705的差分模擬輸入通道AIN1端。
圖2 信號調(diào)理電路和轉(zhuǎn)換模塊
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20MHz，片上資源包括4KBFlash、512BRAM、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。
圖3 MC9S08SH4最小系統(tǒng)
2.3調(diào)零模塊
調(diào)零模塊有兩個(gè)作用，一是在每次測量前讓傳感器歸零，二是在測量過程中即時(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，特別適用于在測量過程中即時(shí)設(shè)置參考零點(diǎn)。
2.4RS-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，一臺上位機(jī)需要拖掛多個(gè)傳感器，并且對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。
圖4 RS-485通信模塊原理圖
2.5電源模塊
電源模塊采用24V直流輸入，除了為傳感器預(yù)留24V、12V供電接口外，還為AD7705、MAX1487、MC9S08SH4提供5V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)場測試后發(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。
圖5 主控程序流程圖
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)存儲在數(shù)據(jù)庫中，便于日后分析整理。
小結(jié)
以上就是基于單片機(jī)的智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹了。該設(shè)計(jì)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)，再結(jié)合AD7705內(nèi)置的信號處理電路和高精度，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)場測試，該系統(tǒng)具有體積小、測量精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。
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