1  引言
    傳感器的智能化和集成化是其發(fā)展的兩個(gè)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(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)誤差補(bǔ)償、自動(dòng)抽樣、以及標(biāo)度變換功能的智能壓力傳感器已成為國(guó)內(nèi)外開(kāi)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(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并能對(duì)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(hào)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(hào)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(shí)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(xiàn)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(xiàn)性度好、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)差模干擾的抑制能力很強(qiáng)，對(duì)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(duì)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(cè)量。adc0中包含一個(gè)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(gè)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(gè)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(cè)adc輸入是否開(kāi)路或短路。
    (4) 兩個(gè)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(shí)器溢出或與一個(gè)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(wú)晶體uart操作)，一個(gè)外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)時(shí)鐘乘法器。
    (6) 8kb在片flash存儲(chǔ)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(gè)通用的16位定時(shí)器。
    (9) 具有3個(gè)捕捉/比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)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(shí)間和回差電壓，并有兩個(gè)輸出。
    (12) 17個(gè)端口i/o(容許5v輸入)和8個(gè)專(zhuān)用模擬輸入通道，每個(gè)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(kāi)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(kāi)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^(guò)設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線(xiàn)、硬件中斷或其它數(shù)字信號(hào)配置為出現(xiàn)在端口i/o引腳。這一特性允許用戶(hù)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(gè)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(jiǎn)介
    modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)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(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一個(gè)控制器請(qǐng)求訪(fǎng)問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如果回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)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(gè)modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器需要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。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(cuò)誤檢測(cè)的方法。

　　4  系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)按照各部分功能可以分為電源模塊、模擬信號(hào)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(jì)
    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(gè)電源之間加一個(gè)1ω的隔離電阻，將模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)，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(guò)片內(nèi)d/a調(diào)節(jié)傳感器的激勵(lì)電壓，從而實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)量程溫漂補(bǔ)償。
　　4.2 系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    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(duì)adc0的增益和偏移進(jìn)行在系統(tǒng)校準(zhǔn))，同時(shí)adc0中還包含一個(gè)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(gè)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(gè)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(cè)adc輸入是否開(kāi)路或短路,因此大大簡(jiǎn)化了信號(hào)調(diào)理模塊的電路設(shè)計(jì)。本文信號(hào)調(diào)理電路只由一個(gè)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(jì)
    單片機(jī)通過(guò)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(hào)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(guò)數(shù)字總線(xiàn)接口可方便地掛接在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字總線(xiàn)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(shí)8kb的片內(nèi)flash支持擦寫(xiě)，從而大大簡(jiǎn)化了單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)，使的本系統(tǒng)的集成度很高。

　　5  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    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(shì)，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(jì)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(chǎng)總線(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)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(guò)modbus通信將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給上位機(jī)，并能夠通過(guò)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(shí)使用基于mdobus協(xié)議的rs-485總線(xiàn)通信方式，具備通信距離長(zhǎng)、通信效率高、開(kāi)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(dòng)準(zhǔn)確地提取表征被檢測(cè)對(duì)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(lái)濾出和信號(hào)頻帶重疊和噪聲幅值比信號(hào)幅值大時(shí)的噪聲。
　　5.3 自動(dòng)補(bǔ)償功能
    由于進(jìn)行完善的實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)會(huì)增加智能傳感器外圍電路的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，并且實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很困難，所以本文利用片內(nèi)溫度傳感器測(cè)得的溫度，采用補(bǔ)償法來(lái)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(xiàn)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(duì)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(guò)曲線(xiàn)擬合法得到非線(xiàn)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(cè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)能自動(dòng)改換量程，從而達(dá)到減小相對(duì)誤差的目的。本文設(shè)計(jì)的智能壓力傳感器在被測(cè)壓力發(fā)生顯著變化時(shí)，只需調(diào)整可編程增益放大器的放大倍數(shù)來(lái)改變量程，而不必更換或增加變送器，同時(shí)還具有短路、開(kāi)路自動(dòng)報(bào)警功能。

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

　　作者簡(jiǎn)介
    徐國(guó)棟(1982-)  男  在讀研究生，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

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