基于片上系统芯片传感器模块设计.doc

基于片上系统芯片的传感器模块设计 　 —— 时间:2010年04月15日 字 体: 大 中 小 关键词:传感器SoCADUC812AD590AD 　　1 引言 　　随着网络时代的到来和信息化要求的不断提高，特别是Internet的不断普及和Intranet在企业中日益增多，为此，将计算机网络技术和智能传感器技术相结合就有必要和可能。智能传感器网络概念由此而产生。智能传感器网络化技术致力于研究智能传感器的网络通信功能，将传感器技术，通信技术和计算机技术融合，实现信息的采集、传输和处理真正统一和协同。本文研制了一种基于片上系统芯片的传感器模块软硬件设计。 　　2 传感器模块硬件系统结构 　　传感器模块(STIM)原理框图如图1所示，主要包括：变送器阵列模块、信号调理模块、多通道数据采集模块、TEDS模块及TII智能接口等部分。为了增强系统的集成度，设计采用了集成式的片上数据采集系统ADUC812。 ?　　传感器的输出信号经调理模块放大调理，输入至ADUC812片内的多通道ADC，ADC对相应通道模数转换后，存储于RAM中，然后通过TII智能接口将数据读入NCAP。为了方便TEDS内容的升级与更新，系统采用异步串行口来下载电子数据表格至ADUC812的片内Flash。此外，异步串行口还可用来下载和调试用户程序，方便系统开发。 　　3 传感器系统硬件详细设计 　　3.1 STIM传感器前端信号采集电路设计 　　温度传感器采用AD公司的AD590芯片实现的，它是单片集成两端感温电流源。其电路原理图如图2所示，其中R1=5.1KΩ，R2=R3=10KΩ，R4=2KΩ，R5和R6分别选10KΩ的电位器。AD590受温度变化产生电流信号时，在电阻R1两端产生电势差，从而在运放输入端产生电压信号，由加法电路进行调节零点漂移；由运放OP07进行比例放大，放大倍数由电位器R6调节，使测试温度范围在0~65℃，输出电压相应为0~2.5V。 ?　　3.2 复位电路设计 　　ADUC812需要外接POR(Power-on reset，上电复位)电路。上电复位电路在电源电压低于2.5V时，要使RESET引脚保持高电平；而且，在电源电压高于2.5V时，RESET引脚保持低电平至少10ms。在本模块中采用专门的POR芯片ADM810设计的POR电路。ADM810是CMOS监控电路芯片，能够监控电源电压、电源故障和微处理器的工作状态。复位信号RESET用于启动或重新启动CPU，在上电期间只要电源电压VCC大于1.0V，就能保证输出高电平电压。在VCC上升期间RESET保持高电平直到电源电压升至复位门(4.65V)以上，在超过此门限后，内部定时器大约再维持200ms后释放RESET，使其返回低电平。无论何时，只要电源电压降低到复位门限以下(即电源跌落)，RESET引脚就会变高，如果在已经开始的复位脉冲期间出现电源跌落，复位脉冲至少再维持140ms。在掉电期间，一旦电源电压VCC降到复位门限以下，只要VCC不比1.0V还低，就能使RESET维持高电平。 　　3.3 TII接口模块 　　TII接口是硬件设计的重点，该接口不是一种额外的网络协议，而是连接NCAP和STIM的接口，主要定义二者之间的点对点连接，同步时钟的短距离接口。TII是基于SPI协议的串口通信接口，其中DIN，DOUT，DCLK和NIOE完成通讯功能，NTRIG和NACK实现与STIM有关的通道读写、触发和应答，STIM使用NINT信号要求从NCAP得到服务，NCAP使用NSDET信号检测STIM模块，实现STIM的即插即用。系统采用ADUC812的SPI总线和其它的I/O资源来模拟实现TII十线接口。连接示意图如图3所示。为了实现STIM模块的热插拔，需对TII接口的供电电源进行处理，可以在STIM方面加入热插拔保护电路，当然也可以在NCAP方面加入保护电路。本系统在NCAP方面加入了保护电路。 　　3.4 信号调理存储电路设计 　　数据采集系统的设计过程中，输入数据采集系统的电信号与ADC的输入范围并不一定匹配，因而，一般不直接送入ADC进行转换，必需对输入的信号进行信号调理，经过信号调理后的模拟信号符合ADC的要求。将传感器送来的信号送入放大器OPA4350，此时放大器OPA4350形成一个电压跟随器，起到阻抗变换的作用，以增大输出电流。从放大器输出的信号输入ADUC812控制器的AD转换通道进行数据采集。 　　由于ADUC812内部只有256字节数据RAM，因此，需外扩大容量RAM，在此选用了IS61C256，扩展了32K数据区。考虑到ADUC812内部集成了640字节Flash，可以作为电子数据表格的存储区，所以无需外扩Flash存储器。 　　3.5 在线下载与调试 　　程序存储器阵