1  引言
    傳感器的智能化和集成化是其發(fā)展的兩個重要方向,而傳感器智能化和集成化的程度主要取決于與之相結(jié)合的微處理器的性能。具有數(shù)據(jù)處理能力,能夠進(jìn)行自動檢測、自動校準(zhǔn)、自動誤差補(bǔ)償、自動抽樣、以及標(biāo)度變換功能的智能壓力傳感器已成為國內(nèi)外開發(fā)和研究的熱點(diǎn)。智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器相結(jié)合而成的。他充分利用計算機(jī)的計算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并能對它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，使采集的數(shù)據(jù)最佳。
    c8051f350是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型mcu，該器件內(nèi)含24位σ-δa/d轉(zhuǎn)換器和8位d/a轉(zhuǎn)換器。將c8051f350單片機(jī)與陶瓷式壓力傳感器相結(jié)合便可以構(gòu)成高集成度、高精確度、高可靠性的小型化智能壓力傳感器。

　　2  c8051f350的性能特點(diǎn)
    單片機(jī)c8051f350是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型mcu，完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片。由于其高精度和高速度，適用于智能傳感、瞬時獲取、數(shù)據(jù)采集和各種通信系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。將c8051f350單片機(jī)與陶瓷式傳感器相結(jié)合便可以構(gòu)成高集成度、高精確度、高可靠性的小型化智能壓力傳感器。下面列出了一些主要特性：
    (1) 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的cip-51內(nèi)核(可達(dá)50 mips)。
    (2) 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))。
    (3) 24位單端/差分sigma-delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)，σ-δadc具有濾出量化噪聲及混疊噪聲能力強(qiáng)、分辨率高、線性度好、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，同時對差模干擾的抑制能力很強(qiáng)，對外圍元件的精度要求不太高，帶模擬多路器，其前端不需要加抗混疊濾波器。該adc具有在片校準(zhǔn)功能(對adc0的增益和偏移進(jìn)行在系統(tǒng)校準(zhǔn))�？梢允褂脙�(nèi)部的2.5v電壓基準(zhǔn)，也可以用差分外部基準(zhǔn)進(jìn)行比率測量。adc0中包含一個可編程增益放大器，有8種增益設(shè)置，最大增益可達(dá)128倍。模擬多路選擇器將adc的差分輸入與8個外部引腳及內(nèi)部溫度傳感器相連�？梢允褂脙�(nèi)部輸入緩沖器為直接連接的變送器提供高輸入阻抗。一個8位的偏移dac允許修正較大的輸入偏移電壓。片內(nèi)burnout電流源可用于檢測adc輸入是否開路或短路。
    (4) 兩個8位電流輸出dac，dac的最大輸出電流可以有四種不同的設(shè)置：0.25ma、0.5ma、1ma和2ma。dac有三種更新模式：軟件命令、定時器溢出或與一個外部引腳邊沿同步。
    (5) 高精度可編程的24.5mhz內(nèi)部振蕩器(可支持無晶體uart操作)，一個外部振蕩器驅(qū)動電路和一個時鐘乘法器。
    (6) 8kb在片flash存儲器，768字節(jié)片內(nèi)ram。
    (7) 硬件實(shí)現(xiàn)的smbus、增強(qiáng)型uart和spi串行接口。
    (8) 4個通用的16位定時器。
    (9) 具有3個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列(pca)。
    (10) 片內(nèi)上電復(fù)位、vdd監(jiān)視器和溫度傳感器。
    (11) 片內(nèi)電壓比較器，該比較器具有可編程的響應(yīng)時間和回差電壓，并有兩個輸出。
    (12) 17個端口i/o(容許5v輸入)和8個專用模擬輸入通道，每個端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字i/o引腳。被選擇作為數(shù)字i/o的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止以節(jié)省功耗。數(shù)字交叉開關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口i/o引腳�？赏ㄟ^設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷或其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口i/o引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口i/o和所需要的模擬和數(shù)字資源的組合。
    (13) 兩種可軟件編程的電源管理方式：空閑和停機(jī)。
    (14) 有兩個電壓基準(zhǔn)選項(xiàng)：內(nèi)部2.5v參考電壓或外部參考電壓。

　　3  modbus協(xié)議簡介
    modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一個控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。
    當(dāng)在一個modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器需要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

　　4  系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    整個系統(tǒng)按照各部分功能可以分為電源模塊、模擬信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊等部分。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，智能傳感器硬件原理圖如圖2所示。

圖1  智能壓力傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2  智能傳感器硬件原理圖

　　4.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計
    24v直流電源經(jīng)電源模塊分別產(chǎn)生單片機(jī)所需的3.3v電壓，運(yùn)放所需的12v電壓和通信模塊所需的5v電壓。c8051f350單片機(jī)采用模擬電源和數(shù)字電源分別供電，所以要在兩個電源之間加一個1ω的隔離電阻，將模擬電源和數(shù)字電源分開，可避免它們之間的相互干擾。
c8051f350的片內(nèi)d/a輸出經(jīng)外接運(yùn)放放大后輸出可調(diào)電壓給陶瓷式壓力傳感器供電，因?yàn)閭鞲衅鬏敵鲭妷悍�度隨溫度升高而降低，所以可以通過片內(nèi)d/a調(diào)節(jié)傳感器的激勵電壓，從而實(shí)現(xiàn)滿量程溫漂補(bǔ)償。
　　4.2 系統(tǒng)信號調(diào)理電路設(shè)計
    c8051f350片內(nèi)24位σ-δadc具有濾出量化噪聲及混疊噪聲能力和在片校準(zhǔn)功能(對adc0的增益和偏移進(jìn)行在系統(tǒng)校準(zhǔn))，同時adc0中還包含一個可編程增益放大器，有8種增益設(shè)置，最大增益可達(dá)128倍。片內(nèi)模擬多路選擇器將adc的差分輸入與8個外部引腳及內(nèi)部溫度傳感器相連�？梢允褂脙�(nèi)部輸入緩沖器為直接連接的變送器提供高輸入阻抗。一個8位的偏移dac允許修正較大的輸入偏移電壓。片內(nèi)burnout電流源可用于檢測adc輸入是否開路或短路,因此大大簡化了信號調(diào)理模塊的電路設(shè)計。本文信號調(diào)理電路只由一個電阻和電容組成的低通濾波器組成。
　　4.3 系統(tǒng)串行通信電路設(shè)計
    單片機(jī)通過max485芯片實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的modbus通信，把采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式傳給上位機(jī)，盡而提高了可靠性和抗干擾能力，通過數(shù)字總線接口可方便地掛接在現(xiàn)場數(shù)字總線上。
    由于c8051f350片內(nèi)資源非常豐富，內(nèi)部集成了高精度可編程的24.5mhz內(nèi)部振蕩器和a/d轉(zhuǎn)換所需2.5v電壓基準(zhǔn)同時8kb的片內(nèi)flash支持擦寫，從而大大簡化了單片機(jī)的外圍電路設(shè)計，使的本系統(tǒng)的集成度很高。

　　5  系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    智能傳感器就是在最少硬件條件的基礎(chǔ)上采用強(qiáng)大的軟件優(yōu)勢，使傳感器具有高穩(wěn)定性、高可靠性、高精度和高自適應(yīng)能力。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示，本文智能傳感器的軟件設(shè)計主要完成以下功能。

圖3  系統(tǒng)主程序流程圖

　　5.1 雙向通信功能
    智能傳感器要能方便地用于現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場與中央控制室之間的參數(shù)設(shè)定、調(diào)整和作業(yè)。本文通過modbus通信將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳給上位機(jī)，并能夠通過上位機(jī)更改智能傳感器內(nèi)部參數(shù)(智能傳感器地址、通信波特率等)，同時使用基于mdobus協(xié)議的rs-485總線通信方式，具備通信距離長、通信效率高、開放性等優(yōu)點(diǎn)。
　　5.2 數(shù)字濾波功能
    智能傳感器不僅要具有獲取信息的功能，還要有信息處理的能力，以便從噪聲中自動準(zhǔn)確地提取表征被檢測對象特征的有用信息，本文采用相關(guān)技術(shù)和平均技術(shù)來濾出和信號頻帶重疊和噪聲幅值比信號幅值大時的噪聲。
　　5.3 自動補(bǔ)償功能
    由于進(jìn)行完善的實(shí)時自校準(zhǔn)會增加智能傳感器外圍電路的設(shè)計負(fù)擔(dān)，并且實(shí)現(xiàn)起來也很困難，所以本文利用片內(nèi)溫度傳感器測得的溫度，采用補(bǔ)償法來消除因工作條件、環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化而引起的零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移等。補(bǔ)償法首先利用某一溫度下的標(biāo)定數(shù)據(jù)，采用五階多項(xiàng)式擬合法求出輸入輸出非線性方程，然后利用在不同溫度和壓力下的標(biāo)定數(shù)據(jù)，求出相對于標(biāo)準(zhǔn)溫度的補(bǔ)償電壓，最后根據(jù)傳感器的輸出量加上補(bǔ)償電壓后，再帶入通過曲線擬合法得到非線性方程，得到的壓力值就是我們想要的壓力值。
　　5.4 自尋故障和自選量程功能
    智能傳感器一般要具有在被測參數(shù)發(fā)生變化時能自動改換量程，從而達(dá)到減小相對誤差的目的。本文設(shè)計的智能壓力傳感器在被測壓力發(fā)生顯著變化時，只需調(diào)整可編程增益放大器的放大倍數(shù)來改變量程，而不必更換或增加變送器，同時還具有短路、開路自動報警功能。

　　6  結(jié)束語
    實(shí)踐證明：本文設(shè)計的智能壓力傳感器可應(yīng)用于多種場合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時的高精度壓力采集，具有采集精度高、抗干擾性強(qiáng)和高性價比等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊應(yīng)用前景。

　　作者簡介
    徐國棟(1982-)  男  在讀研究生，研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動化裝置。

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