作者：賈茹婷，周浩敏，雷程煒

引 言

隨著測控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、復(fù)雜性、精度和可靠性要求的不斷提高，人們對傳感器性能的要求越來越高；但是傳統(tǒng)傳感器本身的某些不足束縛了這種發(fā)展，于是人們引入了以微處理器為代表的高新技術(shù)。為了減少傳感器配置所用的時(shí)間，以及在此過程中面臨的風(fēng)險(xiǎn)，最近IEEE 1451.4為傳感器提供了新的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)建立了一個(gè)使傳感器具有即插即用功能的通用方法——為模擬接口傳感器附加自我描述的功能。

現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。以往的現(xiàn)場總線一般都是采用有線的連接方式，采用一定的總線協(xié)議；而無線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，為現(xiàn)場總線的發(fā)展開辟了新的領(lǐng)域，提高了現(xiàn)場總線的靈活性。藍(lán)牙技術(shù)是一種近距離無線數(shù)字通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，旨在建立一項(xiàng)軟、硬件結(jié)合的公開規(guī)范，為所有不同設(shè)備提供具有互操作性、可交叉開發(fā)的工具。利用藍(lán)牙系統(tǒng)的散射網(wǎng)，把各個(gè)測試設(shè)備連接起來 ，可以形成一個(gè)測量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。將藍(lán)牙技術(shù)與即插即用傳感器結(jié)合起來，就為自動(dòng)控制與測試系統(tǒng)性能的提高和發(fā)展，提供了新的思路和途徑。

本文旨在闡述一個(gè)基于藍(lán)牙技術(shù)的即插即用傳感器系統(tǒng)，通過識別、電路調(diào)理和藍(lán)牙無線通信來實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用。

1 系統(tǒng)方案

基于藍(lán)牙技術(shù)的即插即用無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器測量系統(tǒng)，主要由以下幾個(gè)部分組成：傳感器模塊、識別模塊、信號調(diào)理電路模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、微處理器模塊、藍(lán)牙無線傳輸模塊和上位機(jī)模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該測量系統(tǒng)的工作過程如下： DSP 讀取識別模塊的信息，用以辨識當(dāng)前與系統(tǒng)連接的傳感器；DSP 根據(jù)識別模塊的信息對調(diào)理電路進(jìn)行適當(dāng)配置；傳感器輸出的信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后送入DSP；DSP 通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。若更換不同的傳感器，只需將DSP 復(fù)位，系統(tǒng)即可再次根據(jù)當(dāng)前傳感器單元的需要對電路進(jìn)行配置，毋需人工干涉，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器的即插即用。

識別模塊是即插即用傳感器的重要組成部分，它為傳感器提供自我描述信息。IEEE 1451.4 標(biāo)準(zhǔn)為此定義了一種規(guī)范。此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)定義了一種混合模式的接口，在保留了傳統(tǒng)傳感器模擬信號的同時(shí)，又附加了一個(gè)低成本的數(shù)字接口，用以傳送嵌入在傳感器中的傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS），以實(shí)現(xiàn)自我身份識別和自我描述的功能，如圖2所示。

IEEE P1451.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩類混合模式接口，兩線接口和多線接口。

兩線接口，工作于恒流激勵(lì)下，或集成壓電電路（ICP）的傳感器，如加速度傳感器。用以在單一的線對上實(shí)現(xiàn)模擬信號和數(shù)字化TEDS 信號的復(fù)用，如圖3所示。

對于其他類型傳感器的另一種接口模式是，把模擬部分和數(shù)字部分分離開來。在傳感器的模擬輸入/輸出保持不變的基礎(chǔ)上，把數(shù)字化TEDS 并行添加到電路上。這樣在實(shí)質(zhì)上就可以實(shí)現(xiàn)任何形式傳感器或激勵(lì)器的即插即用，包括熱電偶、熱敏電阻、電橋傳感器等。

混合模式接口的數(shù)字部分是基于Maxim/Dallas公司的1Wire 協(xié)議上的。這是一種非常簡明、低成本的主從串行通信協(xié)議。此協(xié)議只需要一個(gè)主設(shè)備（例如，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）用以供電以及根據(jù)特定的時(shí)序初始化各個(gè)節(jié)點(diǎn)的每次傳輸，并且這些操作的通信都是在一根導(dǎo)線上完成的。

多線混合模式的接口具有更普遍的通用性，因此本文將采用這種方式來實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用，并用Maxim/Dallas公司提供的1Wire 器件來存儲標(biāo)準(zhǔn)化傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS）。與其他智能傳感器技術(shù)的即插即用相比，IEEE P1451.4 的獨(dú)特之處在于它保留了傳感器的模擬輸出。因此，IEEE P1451.4 傳感器可與包含傳統(tǒng)模擬接口的系統(tǒng)相兼容。

以基于電橋測量原理的傳感器為例，設(shè)計(jì)通用的調(diào)理電路，利用敏感電阻感受被測量的變化并轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號。為了實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用，本系統(tǒng)的調(diào)理電路部分就必須具備自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。下位機(jī)主要是采用Motorola的DSP評估板DSP56311EVM為基本裝置，建立數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，采集傳感器識別信息，并且通過控制各個(gè)數(shù)字電位器和電子開關(guān)對調(diào)理電路進(jìn)行正確的配置，以達(dá)到精確處理傳感器信號的目的，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用。最后通過藍(lán)牙技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器之間的連接和數(shù)字通信。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

即插即用傳感器測量系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面，主要由以下幾個(gè)部分組成：傳感器單元包括傳統(tǒng)模擬傳感器和識別模塊（TEDS）、供電單元、信號調(diào)理單元、A/D轉(zhuǎn)換及接口，如圖5所示。

（1） 傳感器單元

采用Honeywell的24PCCFA6D型硅壓阻壓力傳感器。該傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是在一個(gè)硅膜片上擴(kuò)散出四個(gè)電阻。這四個(gè)電阻一般接成一個(gè)惠斯登電橋。識別模塊由一個(gè)低成本的內(nèi)存芯片構(gòu)成，內(nèi)部儲存了標(biāo)準(zhǔn)化傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS）。TEDS里儲存的是一些重要的傳感器信息和參數(shù)，可以進(jìn)行自我辨認(rèn)和自我描述。筆者采用Maxim/Dallas公司提供的DS2430A，來存儲用以配置傳感器的TEDS信息。

（2） 供電單元

對于同樣的惠斯登電橋，供電方式不同，測量效果不一樣。經(jīng)過比較，恒壓源供電與溫度引起的阻值變化有關(guān)；而恒流源供電，輸出電壓只與橋臂上由壓力引起的變化量以及恒流源的大小和精度有關(guān)，與溫度無關(guān)。因此采用了與傳感器匹配的2 mA的恒流源供電，以達(dá)到靈敏度溫漂最??；但是采用恒流源對電橋供電時(shí)，會帶來輸出的共模信號過大的問題。過高的共模電壓很可能導(dǎo)致放大電路中的運(yùn)放無法正常工作，為此在恒流源電路中加入了抑制共模電壓的電位器VR2，如圖6所示。實(shí)踐證明，改進(jìn)后的恒流源電路電流輸出穩(wěn)定，并能很簡便地對傳感器的共模輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作正常。

（3） 信號調(diào)理單元

信號調(diào)理單元主要實(shí)現(xiàn)信號的采集和處理，其功能除了去除噪聲和干擾外，更為重要的一點(diǎn)是：為了能實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用，調(diào)理電路中的參數(shù)應(yīng)能自動(dòng)配置。在本系統(tǒng)中，通過多個(gè)非易失調(diào)節(jié)電位器DS1804，實(shí)現(xiàn)對調(diào)理電路的程序化控制，如調(diào)節(jié)放大倍數(shù)?？刂坪懔髟摧敵龅?。NV校準(zhǔn)電位器DS1804是單路、非易失性、100級數(shù)字電位器。抽頭位置通過3個(gè)控制引腳調(diào)整：CS、INC和U/D。根據(jù)需要，還可以通過串行接口，將抽頭位置存儲到EEPROM中。

在硬件連接中，把所有數(shù)字電位器的INC和U/D分別連到DSP的PB4和PB5上，而把它們的選通信號CS接到其他幾個(gè)GPIO口上，通過CS的狀態(tài)，決定當(dāng)前所要操縱的數(shù)字電位器。

（4） 信號采集單元

放大電路輸出是傳感器測得的壓力信號，為模擬信號，需要進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，再輸入DSP進(jìn)行處理。根據(jù)傳感器本身的精度，考慮到實(shí)時(shí)性等因素，最終選擇了Maxim公司的MAX1065模數(shù)轉(zhuǎn)換器。對A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集的主要過程有：啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)束和數(shù)據(jù)讀取。

MAX1065 的硬件連接情況如圖7所示。在REF、REFADJ 兩個(gè)引腳與地之間，分別串入1個(gè)1 μF 和1個(gè)0.1 μF 的電容，就可以使用MAX1065 內(nèi)部提供的4.096 V參考電壓對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，不需要再外接參考電壓源，簡化了電路的設(shè)計(jì)，降低了成本。

（5）前端電路與DSP 的連接設(shè)計(jì)

DSP 作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，要對來自各個(gè)方面的信息作最終的判斷和控制，因此接收信號和發(fā)出判斷都需要經(jīng)過它的接口。主要使用的接口有：外部存儲器接口（PORT A）、串行接口（SCI）和通用輸入輸出接口（GPIO）。

外部存儲器接口是DSP 的特點(diǎn)之一。它可以方便地訪問DSP的各個(gè)外設(shè)，擴(kuò)展內(nèi)存映射I/O口；通過PORT A 的地址分配器可以指定外設(shè)的地址單元；通過訪問該地址空間，實(shí)現(xiàn)對外設(shè)的數(shù)據(jù)讀取和控制。

通過DSP的串行接口（SCI）實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊和DSP的連接。根據(jù)DSP接口的情況，選擇藍(lán)牙模塊的RS232連接方式。需要把DSP的串行接口SCI設(shè)置為符合RS232串口的數(shù)據(jù)傳輸方式。

DSP56311提供了34個(gè)雙向信號口，可以作為GPIO（GeneralPurpose Input/Output）信號配置或者作為外圍器件的專用信號。DSP5631 1 沒有提供專門的GPIO 信號，復(fù)位后為缺省狀態(tài)。上述34 個(gè)信號即為GPIO。在前端電路中，需要與DSP的GPIO口相連的器件主要有1Wire 存儲器DS2430A、A/D 芯片MAX1065以及幾個(gè)數(shù)字電位器DS1804。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)搭建起來的測試系統(tǒng)，需要通過DSP 的軟件算法和上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。DSP 的軟件算法需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：讀取標(biāo)準(zhǔn)化傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS），控制并調(diào)整各個(gè)數(shù)字電位器，傳感器信號的采集和計(jì)算，對藍(lán)牙模塊的接口控制設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)是為了達(dá)到對主藍(lán)牙單元的控制以及顯示最終測量結(jié)果，軟件流程如圖8所示。

在系統(tǒng)中，DS2430A 的主要作用是向微處理器提供儲存在其內(nèi)部的TEDS。要實(shí)現(xiàn)與DS2430A 的通信，核心是掌握好1Wire 器件信號收發(fā)時(shí)序的問題。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，DS2430A 對通信協(xié)議有很嚴(yán)格的要求。DS2430A 的通信協(xié)議主要包括四種信號類型：初始化信號（包括1個(gè)復(fù)位脈沖和1個(gè)應(yīng)答脈沖），寫0，寫1，讀數(shù)據(jù)。這些信號中，除了應(yīng)答脈沖以外，都是由總線控制單元發(fā)出的。

初始化信號：在一個(gè)復(fù)位脈沖后傳來的一個(gè)應(yīng)答脈沖，表示DS2430A 已經(jīng)準(zhǔn)備好接收ROM 命令了。DSP 首先發(fā)出（TX）一個(gè)復(fù)位脈沖，然后釋放總線，轉(zhuǎn)為接收（RX）狀態(tài)。1Wire 總線通過上拉電阻被拉高至高電平狀態(tài)。DS2430A檢測到數(shù)據(jù)引腳的上升沿后，等待tPDH后，發(fā)出應(yīng)答脈沖。

讀寫信號：所有的讀寫時(shí)序都是由DSP 拉低數(shù)據(jù)線開始的。數(shù)據(jù)線的下降沿會觸發(fā)DS2430A 內(nèi)部的一個(gè)延時(shí)電路，使它與DSP 同步。在寫時(shí)序中，延時(shí)電路將決定DS2430A 何時(shí)對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。對于讀時(shí)序，如果將要傳送的數(shù)據(jù)是“0”，延時(shí)電路將決定DS2430A 把已經(jīng)被DSP 置高數(shù)據(jù)線拉低的時(shí)間長短；如果將要傳送的數(shù)據(jù)是“1”，DS2430A 將在讀時(shí)序內(nèi)不改變數(shù)據(jù)線的狀態(tài)。

結(jié) 語

本文重點(diǎn)研究了以壓力傳感器為例的即插即用傳感器：系統(tǒng)通過TEDS表中儲存的重要的傳感器信息和參數(shù)（制造商、型號以及傳感器的序列號，大多數(shù)TEDS 還描述了傳感器的主要特征，如量程、靈敏度、溫度系數(shù)、電氣接口等），準(zhǔn)確地識別出與之相連的壓力傳感器，并根據(jù)識別模塊內(nèi)所包含的信息準(zhǔn)確配置前端電路?！凹床寮从谩眰鞲衅鞒绦虻哪繕?biāo)是創(chuàng)造一個(gè)開放式傳感器標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)集成商和終端用戶可以對傳感器進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定測量和系統(tǒng)的自動(dòng)控制。使用者可以下載TEDS 二進(jìn)制文件或者虛擬TEDS 到其系統(tǒng)上，使原先的傳感器具有“即插即用”的功能。

本課題的另一重要意義在于，將無線通信技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)化傳感器，使信號的連接突破了空間的限制。無線通信技術(shù)應(yīng)用的擴(kuò)展，給測量領(lǐng)域提供了更多新的選擇。在工業(yè)現(xiàn)場中，短程的無線連接有著廣泛的應(yīng)用需求，將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，使用微波取代紅外，既克服了紅外的缺點(diǎn)，又降低了成本。

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