摘  要： 介紹了一種基于Freescale MC9S08SH4微處理器和AD7705模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)硬件電路和軟件流程。該系統(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、多點(diǎn)測(cè)量及RS-485雙向通信等功能。工程應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有測(cè)量高、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　近年來(lái)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、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(wú)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)[1]和AD7705為構(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)量高、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　智能傳感器技術(shù)是一門(mén)正在蓬勃發(fā)展的涉及多種學(xué)科的現(xiàn)代傳感器技術(shù)。本書(shū)內(nèi)容廣泛新穎，除了全面介紹智能傳感器（系統(tǒng)）的概念、構(gòu)成方式及其具有的功能外，還詳細(xì)闡述了制作不同集成度智能傳感器的集成化技術(shù)和智能化實(shí)現(xiàn)方法，以及基于模糊理論的新型智能傳感器和已開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)中的智能傳感/變送器。此外，還詳細(xì)介紹了日益發(fā)揮重要作用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　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。

　　智能傳感器（intelligent sensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。一般智能機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)由多個(gè)傳感器集合而成，采集的信息需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動(dòng)化能力；功能多樣化。

　　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)換前加或多級(jí)高的放大電路，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[2]，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(wú)需使用外部?jī)x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)可實(shí)現(xiàn)16位無(wú)誤碼傳輸[3]。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(mǎn)足兩路傳感器輸出信號(hào)的輸入，通過(guò)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)[4]，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)。其時(shí)鐘頻率為20 MHz，片上資源包括4 KB Flash、512 B RAM、8路鍵盤(pán)中斷、SCI接口、SPI接口、IIC總線(xiàn)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(méi)有使用標(biāo)準(zhǔn)的6芯BDM接口，而采用自定義的4芯接口，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(guò)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(pán)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?？欤貏e適用于在測(cè)量過(guò)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(xiàn)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(xiàn)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[5]。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(xiě)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(guò)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(xiě)，通過(guò)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(kù)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？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(wú)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)量高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

[1]. AD7705 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/AD7705_249855.html.
[2]. RS-485 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/RS-485_584821.html.
[3]. TSSOP16 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TSSOP16_1115601.html.
[4]. RS-232 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/RS-232_584855.html.
[5]. MAX1487 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MAX1487_719362.html.
[6]. 78L12 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/78L12_100008.html.
[7]. 78L05 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/78L05_99997.html.
[8]. LM1117 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/LM1117_837246.html.
[9]. RS485 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/RS485_585289.html.