基于STM32的傳感器接口模塊的設(shè)計(jì)

　　物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)是未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成或產(chǎn)業(yè)鏈的劃分，目前業(yè)界比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)基本都認(rèn)為應(yīng)該包括三個(gè)層面：末端設(shè)備或子系統(tǒng)、通信連接系統(tǒng)、以及管理和應(yīng)用系統(tǒng)。即Device-設(shè)備、Connect-連接和Manage-管理。由于數(shù)字整合的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)作為感知層核心組成元素的傳感器數(shù)據(jù)融合提出了更高要求。如何將傳感器連入網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)尤其重要的問(wèn)題。

　　傳感器通過(guò)接口模塊接入到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。傳感器通過(guò)信號(hào)接口連接到接口模塊，節(jié)點(diǎn)以相應(yīng)的適配模塊接收和處理傳感器輸出信號(hào)，并將傳感器原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)用戶可以識(shí)別的信息，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口連接到上位機(jī)或者任何網(wǎng)絡(luò)。

　　傳感器感知外部環(huán)境，某種敏感變量如電阻、電荷之類參量發(fā)生變化，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，產(chǎn)生可供AD轉(zhuǎn)換的電壓或電流信號(hào)(目前ADC應(yīng)用主要還是電壓輸入，電流模式ADC尚未大規(guī)模應(yīng)用)，而后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為可供處理的數(shù)字信號(hào)。由于在不同應(yīng)用場(chǎng)合中會(huì)使用到針對(duì)上述不同層次接口的傳感器，故信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)不同層次設(shè)計(jì)：

　　層次1：需經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理然后才能輸入AD處理，如熱電阻、4～20mA電流輸出;

　　層次2：直接符合AD輸入要求的，如0～5V電壓輸出;

　　層次3：數(shù)字信號(hào)輸出，如開關(guān)量、RS232接口輸出;如圖2所示。

　　直接輸出可以連入網(wǎng)絡(luò)的接口，比如現(xiàn)場(chǎng)總線接口(如CAN、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng))、無(wú)線通信接口(如Zigbee、WI-FI)等一般無(wú)需考慮信號(hào)接口的問(wèn)題，如需連入不同網(wǎng)絡(luò)可以使用相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)(如CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng))。

　　基于此分類依據(jù)，傳感器輸出信號(hào)一般有電壓信號(hào)、電流信號(hào)、電阻信號(hào)、頻率信號(hào)、脈沖信號(hào)、數(shù)字電平信號(hào)等。

　　1 傳感器接口模塊設(shè)計(jì)概述

　　從功能上來(lái)講，接口模塊需要完成傳感器與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)之間的連接，解決傳感器的異構(gòu)性帶來(lái)的諸多問(wèn)題，完成從原始信號(hào)到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流過(guò)程?？偟膩?lái)說(shuō)包括傳感器接入及激勵(lì)、信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換/數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信。不同信號(hào)輸入類型的接口模塊在整體功能上是類似的，主要不同在于信號(hào)調(diào)理部分，以及AD轉(zhuǎn)換的不同要求。接口模塊整體功能如圖3所示。

　　信號(hào)調(diào)理針對(duì)不同信號(hào)類型設(shè)計(jì)。傳感器原始輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接入后，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后生成可供ADC處理的信號(hào)。有的傳感器還需提供激勵(lì)源。

　　ADC依據(jù)不同應(yīng)用需求所需的通道數(shù)、精度、速度進(jìn)行選擇?？蛇x擇外置ADC，系統(tǒng)要求不高或者在一些特殊場(chǎng)合也可使用SOC片上系統(tǒng)的內(nèi)置ADC(比如TI的MSC1210系列MCU內(nèi)置24bit sigma-delta ADC，尤其適合處理微弱信號(hào))。

　　另外需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)與傳感器或者接口模塊相關(guān)的描述信息，一般可使用EEPROM。鑒于此功能，存儲(chǔ)模塊芯片的選取就得考慮總線讀寫速度以及可編程性。由于需要在標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊正常工作的同時(shí)修改Flash中的電子表單，所以存儲(chǔ)芯片得支持IAP(在應(yīng)用編程)功能。

　　整個(gè)模塊的核心處理器為MCU或者FPGA，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)模塊的邏輯進(jìn)行控制，可根據(jù)不同應(yīng)用要求選擇8位單片機(jī)或者高性能ARM處理器或者FPGA可重配置芯片。

　　網(wǎng)絡(luò)通訊采用可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合選取不同接口，比如RS485總線、CAN總線、Ethemet、WiFi等?？芍С侄鄠€(gè)接口模塊，主機(jī)可對(duì)從模塊進(jìn)行配置，可自由添加模塊。

　　2 基于STM32的傳感器接口模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 電流接口模塊設(shè)計(jì)

　　以STM32F103系列處理器為核心，外掛ADC采樣芯片、以太網(wǎng)接口芯片、RS-232/485接口芯片。模擬電流信號(hào)經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路、電平匹配電路輸入至ADC采樣芯片后由處理器采集。ADC芯片采用5V的外置參考電壓，提高精確度。EEPROM芯片通過(guò)IIC接口與處理器通信。處理器經(jīng)由串口以及以太網(wǎng)接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息交換。調(diào)試接口為20針標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口。

　　電源部分設(shè)計(jì)為輸入24V直流，經(jīng)線性穩(wěn)壓電路和電壓反轉(zhuǎn)電路生成模擬部分需要的5V電壓和數(shù)字電路需要的3.3V電壓。電源輸入的24V電壓可以直接供給工業(yè)上常用的二線制電流輸出傳感器做激勵(lì)。

　　整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　下面介紹具體電路設(shè)計(jì)。電源部分為+24V-DC輸入經(jīng)LM2596(IC1)開關(guān)電源芯片產(chǎn)生+5V-DC電壓，+5V電源直接供給模擬部分電路。IC2為L(zhǎng)M1117—3.3線性穩(wěn)壓芯片，將5V電源變換為3.3V供給數(shù)字電路。數(shù)字地與模擬地隔離，通過(guò)10 μH電感或者磁珠連接，可以抑制數(shù)字電路對(duì)于模擬電路部分的干擾。LED1和LED2分別用來(lái)指示兩部分的電源接通狀況。

　　輸入的電流由100Ω精密負(fù)載電阻變換為電壓信號(hào)，由同向放大電路放大至AD轉(zhuǎn)換所需要的電平，增益可以由電位器來(lái)進(jìn)行微調(diào)。運(yùn)放采用AD8551(U$3)，其在低壓差單電源情況下表現(xiàn)完美，具有極低失調(diào)電壓(5 μV)、極低的溫漂(0.03μV/℃)以及軌對(duì)軌輸入輸出的特性。

　　+24V電壓經(jīng)過(guò)78L12Z(IC4)穩(wěn)壓產(chǎn)生12V電源供給AD586(U52)芯片產(chǎn)生高精度5V基準(zhǔn)信號(hào)，輸入到AD采樣芯片ADS8344(U$1)的參考輸入端。AD586的trim端連接10k電位器，可以對(duì)輸出的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行精密調(diào)節(jié)。四路電流采樣信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大后直接輸入到AD芯片CH0-3通道，ADC由數(shù)字SPI接口連接MCU進(jìn)行控制采集。

　　EEPROM存貯芯片采用241c64(IC5)芯片，具有64kbit存儲(chǔ)容量，外部接口為I2C與MCU相連。ARM芯片的IO口經(jīng)MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，將3.3V邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平信號(hào)，接入DB-9插頭。MAX3232采用3.3V供電，具有低功耗、高數(shù)據(jù)速率、增強(qiáng)型ESD保護(hù)等特性。 ENC28J60是SPI接口的以太網(wǎng)控制器，其SPI接口與MCU的SPI對(duì)應(yīng)IO口相連，輸入和輸出分別為一組差分信號(hào)，接入帶有1：1脈沖變壓器的10BASE-T RJ-45插座。時(shí)鐘由外部提供，使用25M晶振。