低功耗智能傳感器的設(shè)計(jì)
在工業(yè)控制過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而一般傳感器的輸出信號(hào)較弱，不適合作遠(yuǎn)距離傳輸。為了減小干擾，通常采用4～20mA電流輸出的雙絞線變送器。信號(hào)模擬處理的變送器，由于電路的復(fù)雜性的限制，非線性補(bǔ)償效果不理想，很難在全溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，因此達(dá)不到較高的精度要求。隨著低功耗高精度單片機(jī)、Σ-ΔADC和Σ-ΔDAC的日益普及，為高精度的智能變送器的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)途徑。
本文介紹的單片傳感信號(hào)接口設(shè)計(jì)采用了德州儀器公司新近推出的一款多功能的微控制器MSP430F2013，它內(nèi)部集成了16位的Σ-ΔADC。2kb的程序空間和128b的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，可以完成數(shù)據(jù)的智能采集，并采用差分傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)按幀進(jìn)行傳輸，傳輸過(guò)程中采用CRC檢驗(yàn)進(jìn)行差錯(cuò)控制。
MSP430F2013的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
MSP430F2013是TI公司MSP430系列的一款微控制器，它具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：16位的RISCCPU、16位的寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可以獲得很高的代碼效率；五種低功耗模式，在便攜式的測(cè)量應(yīng)用中可以延長(zhǎng)電池的使用壽命；數(shù)控振蕩器（DCO）使得從低功耗模式切換到正常模式只要不到1μs；一個(gè)16位的定時(shí)器；10個(gè)I/O口；具備同步通信協(xié)議（SPI或者I2C）；一個(gè)16位的Σ-ΔADC。
MSP430F2013的典型應(yīng)用是傳感系統(tǒng)捕獲模擬信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后利用數(shù)字信號(hào)作屏幕顯示或者將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)揭粋€(gè)主機(jī)系統(tǒng)中用作其他處理。
系統(tǒng)介紹
常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)模擬信號(hào)要進(jìn)行信號(hào)放大，而且一般都要設(shè)計(jì)一個(gè)與單片機(jī)的接口電路，本系統(tǒng)具有很高的集成度，單片即可完成信號(hào)的放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，軟件濾波，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單線協(xié)議，直接可以和高檔計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，無(wú)須設(shè)計(jì)與單片機(jī)的接口電路。
MSP430F2013是一個(gè)低功耗的器件，當(dāng)運(yùn)行在1MHz的時(shí)鐘條件下，系統(tǒng)的工作電流為220μA，而待命模式的工作電流僅為0.5μA，保持RAM的節(jié)電模式的工作電流更是只有0.1μA，這樣的低功耗完全可以利用電池供電，適合于便攜式的測(cè)量。
本系統(tǒng)利用MSP430F2013進(jìn)行智能數(shù)據(jù)采集，從前端傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)程控增益放大器進(jìn)行放大，隨后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后以異步串行的方式輸出。
為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，同時(shí)避免外部晶振對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)采用內(nèi)部DCO作為時(shí)鐘，系統(tǒng)利用差分傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)的隔離。本應(yīng)用中配置傳輸速率為9600b/s，可以用串口設(shè)定匹配的波特率進(jìn)行接收。
無(wú)論系統(tǒng)采用內(nèi)部參考電壓還是外部參考電壓，輸入電壓都有相應(yīng)的范圍，所以前端模擬量的輸入要用穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅。
系統(tǒng)可以根據(jù)外界信號(hào)的大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的精度，只需拉高P2.6同時(shí)調(diào)節(jié)外部輸入的模擬量為所測(cè)量的最大值，這時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整PGA（程控增益放大器）。
由于采用半雙工的差分傳輸，系統(tǒng)很容易進(jìn)行擴(kuò)展，系統(tǒng)可以利用多個(gè)傳感器組成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)總線控制傳感器采集數(shù)據(jù)。
初始化
初始化部分主要完成以下功能。
負(fù)責(zé)系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，使系統(tǒng)工作頻率為DCO指定的標(biāo)準(zhǔn)8MHz時(shí)鐘。
配置系統(tǒng)的端口，由于芯片引腳功能復(fù)用，這一過(guò)程就顯得尤為重要。通過(guò)設(shè)定SD16AE和SD16INCTL0，使得P1.0和P1.1的工作狀態(tài)分別為A0+、A0-。設(shè)定P2.6、P2.7為通用IO口，其中P2.6用作調(diào)整PGA的控制信號(hào)，P2.7用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?
初始化系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器，采用系統(tǒng)內(nèi)部的參考電壓，由于輸入頻率最多只能為1.1MHz，故將系統(tǒng)主頻率8分頻輸入。MSP430F2013中ADC沒(méi)有輸入緩存，在緩存模式選擇中關(guān)閉緩存。系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量連續(xù)變化的物理量，設(shè)定系統(tǒng)為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。
測(cè)量
測(cè)量時(shí)打開中斷，當(dāng)有測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生時(shí)，產(chǎn)生中斷，中斷標(biāo)志位置位，測(cè)量結(jié)果存放在轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中，當(dāng)從轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中讀出測(cè)量結(jié)果后，中斷標(biāo)志位自動(dòng)復(fù)位。所以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)只需查詢中斷標(biāo)志位即可。
測(cè)量結(jié)果濾波采用中位值平均濾波法，每個(gè)測(cè)量值采樣10次，去除最大值和最小值，其余8個(gè)值取算術(shù)平均值。
這種算法能夠有效地克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，尤其適用于溫度、液位等變化緩慢的物理量。
測(cè)量時(shí)使用內(nèi)部參考電壓，測(cè)量信號(hào)的電壓輸入范圍為0～500mV，當(dāng)輸入信號(hào)滿量程輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出的最高位不為1時(shí)，可進(jìn)行信號(hào)放大，最大放大倍數(shù)可達(dá)32。當(dāng)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為N時(shí)，輸入信號(hào)的范圍會(huì)相應(yīng)地縮小為原來(lái)的1/N。例如，當(dāng)選擇PGA的放大倍數(shù)為2倍時(shí)，測(cè)量信號(hào)的電壓輸入范圍為0～250mV。
整個(gè)測(cè)量過(guò)程用偽代碼表示如下。
intmeasure(void)
{
inti；
if(SET==1)
{
調(diào)整增益；
}
For(i=0;i<10;i++)
{
等待轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生；
讀取并保存轉(zhuǎn)換結(jié)果；
}
累加轉(zhuǎn)換結(jié)果；
查找最大值與最小值；
中位值平均濾波；
返回測(cè)量結(jié)果；
}
數(shù)據(jù)傳輸
數(shù)據(jù)發(fā)送按幀發(fā)送，幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖
每幀數(shù)據(jù)包括同步碼，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果和檢驗(yàn)碼，幀的同步可以采用特定的同步碼或者間隙同步，這里采用第二種方法。在數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)，首先拉高數(shù)據(jù)發(fā)送線，拉高的時(shí)間為發(fā)送16個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間，幀頭高電平的間隙用作數(shù)據(jù)幀的同步。
奇偶校驗(yàn)碼作為一種檢錯(cuò)碼雖然簡(jiǎn)單,但是漏檢率太高。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信中用得最廣泛的檢錯(cuò)碼,是一種漏檢率低得多也便于實(shí)現(xiàn)的循環(huán)冗余碼CRC。CRC生成多項(xiàng)式階數(shù)越高，誤判的概率越小。本文采用CCITT-16，其生成多項(xiàng)式為g(x)=x16+x15+x5+1。實(shí)現(xiàn)CRC的方法一般有兩種：直接計(jì)算和查表。由于查表法至少需要1kb的空間用來(lái)存儲(chǔ)表值，所以這里采用直接計(jì)算的方法。
數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用單線串行輸出，用口線模擬串行發(fā)送，發(fā)送字節(jié)時(shí)在口線上依次發(fā)送如圖4所示數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)為0時(shí)拉低口線電平，數(shù)據(jù)為1時(shí)拉高口線電平），位持續(xù)時(shí)間根據(jù)波特率計(jì)算，本應(yīng)用中設(shè)定波特率為9600b/s。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，輸出口線上維持高電平。
數(shù)據(jù)發(fā)送最后通過(guò)光耦隔離，使得現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)據(jù)的輸出隔離，同時(shí)可以根據(jù)后級(jí)系統(tǒng)輸入的需要簡(jiǎn)單地更改電路。
結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，單片MSP430F2013可實(shí)現(xiàn)小信號(hào)傳感器輸出電平測(cè)量，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1ms。并可實(shí)現(xiàn)低功耗測(cè)量，整機(jī)功耗不超過(guò)6mW。該系統(tǒng)特別適合于實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能傳感器，當(dāng)輸入信號(hào)滿輻度大于40mV時(shí)可以保證16位A/D轉(zhuǎn)換分辨率。由于采用半雙工的差分傳輸，可以方便地實(shí)現(xiàn)傳感器的組網(wǎng)。
本文介紹的單片傳感信號(hào)接口設(shè)計(jì)采用了德州儀器公司新近推出的一款多功能的微控制器MSP430F2013，它內(nèi)部集成了16位的Σ-ΔADC。2kb的程序空間和128b的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，可以完成數(shù)據(jù)的智能采集，并采用差分傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)按幀進(jìn)行傳輸，傳輸過(guò)程中采用CRC檢驗(yàn)進(jìn)行差錯(cuò)控制。
MSP430F2013的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
MSP430F2013是TI公司MSP430系列的一款微控制器，它具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：16位的RISCCPU、16位的寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可以獲得很高的代碼效率；五種低功耗模式，在便攜式的測(cè)量應(yīng)用中可以延長(zhǎng)電池的使用壽命；數(shù)控振蕩器（DCO）使得從低功耗模式切換到正常模式只要不到1μs；一個(gè)16位的定時(shí)器；10個(gè)I/O口；具備同步通信協(xié)議（SPI或者I2C）；一個(gè)16位的Σ-ΔADC。
MSP430F2013的典型應(yīng)用是傳感系統(tǒng)捕獲模擬信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后利用數(shù)字信號(hào)作屏幕顯示或者將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)揭粋€(gè)主機(jī)系統(tǒng)中用作其他處理。
系統(tǒng)介紹
常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)模擬信號(hào)要進(jìn)行信號(hào)放大，而且一般都要設(shè)計(jì)一個(gè)與單片機(jī)的接口電路，本系統(tǒng)具有很高的集成度，單片即可完成信號(hào)的放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，軟件濾波，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單線協(xié)議，直接可以和高檔計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，無(wú)須設(shè)計(jì)與單片機(jī)的接口電路。
MSP430F2013是一個(gè)低功耗的器件，當(dāng)運(yùn)行在1MHz的時(shí)鐘條件下，系統(tǒng)的工作電流為220μA，而待命模式的工作電流僅為0.5μA，保持RAM的節(jié)電模式的工作電流更是只有0.1μA，這樣的低功耗完全可以利用電池供電，適合于便攜式的測(cè)量。
本系統(tǒng)利用MSP430F2013進(jìn)行智能數(shù)據(jù)采集，從前端傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)程控增益放大器進(jìn)行放大，隨后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后以異步串行的方式輸出。
為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，同時(shí)避免外部晶振對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)采用內(nèi)部DCO作為時(shí)鐘，系統(tǒng)利用差分傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)的隔離。本應(yīng)用中配置傳輸速率為9600b/s，可以用串口設(shè)定匹配的波特率進(jìn)行接收。
無(wú)論系統(tǒng)采用內(nèi)部參考電壓還是外部參考電壓，輸入電壓都有相應(yīng)的范圍，所以前端模擬量的輸入要用穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅。
系統(tǒng)可以根據(jù)外界信號(hào)的大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的精度，只需拉高P2.6同時(shí)調(diào)節(jié)外部輸入的模擬量為所測(cè)量的最大值，這時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整PGA（程控增益放大器）。
由于采用半雙工的差分傳輸，系統(tǒng)很容易進(jìn)行擴(kuò)展，系統(tǒng)可以利用多個(gè)傳感器組成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)總線控制傳感器采集數(shù)據(jù)。
初始化
初始化部分主要完成以下功能。
負(fù)責(zé)系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，使系統(tǒng)工作頻率為DCO指定的標(biāo)準(zhǔn)8MHz時(shí)鐘。
配置系統(tǒng)的端口，由于芯片引腳功能復(fù)用，這一過(guò)程就顯得尤為重要。通過(guò)設(shè)定SD16AE和SD16INCTL0，使得P1.0和P1.1的工作狀態(tài)分別為A0+、A0-。設(shè)定P2.6、P2.7為通用IO口，其中P2.6用作調(diào)整PGA的控制信號(hào)，P2.7用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?
初始化系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器，采用系統(tǒng)內(nèi)部的參考電壓，由于輸入頻率最多只能為1.1MHz，故將系統(tǒng)主頻率8分頻輸入。MSP430F2013中ADC沒(méi)有輸入緩存，在緩存模式選擇中關(guān)閉緩存。系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量連續(xù)變化的物理量，設(shè)定系統(tǒng)為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。
測(cè)量
測(cè)量時(shí)打開中斷，當(dāng)有測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生時(shí)，產(chǎn)生中斷，中斷標(biāo)志位置位，測(cè)量結(jié)果存放在轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中，當(dāng)從轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中讀出測(cè)量結(jié)果后，中斷標(biāo)志位自動(dòng)復(fù)位。所以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)只需查詢中斷標(biāo)志位即可。
測(cè)量結(jié)果濾波采用中位值平均濾波法，每個(gè)測(cè)量值采樣10次，去除最大值和最小值，其余8個(gè)值取算術(shù)平均值。
這種算法能夠有效地克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，尤其適用于溫度、液位等變化緩慢的物理量。
測(cè)量時(shí)使用內(nèi)部參考電壓，測(cè)量信號(hào)的電壓輸入范圍為0～500mV，當(dāng)輸入信號(hào)滿量程輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出的最高位不為1時(shí)，可進(jìn)行信號(hào)放大，最大放大倍數(shù)可達(dá)32。當(dāng)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為N時(shí)，輸入信號(hào)的范圍會(huì)相應(yīng)地縮小為原來(lái)的1/N。例如，當(dāng)選擇PGA的放大倍數(shù)為2倍時(shí)，測(cè)量信號(hào)的電壓輸入范圍為0～250mV。
整個(gè)測(cè)量過(guò)程用偽代碼表示如下。
intmeasure(void)
{
inti；
if(SET==1)
{
調(diào)整增益；
}
For(i=0;i<10;i++)
{
等待轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生；
讀取并保存轉(zhuǎn)換結(jié)果；
}
累加轉(zhuǎn)換結(jié)果；
查找最大值與最小值；
中位值平均濾波；
返回測(cè)量結(jié)果；
}
數(shù)據(jù)傳輸
數(shù)據(jù)發(fā)送按幀發(fā)送，幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖
每幀數(shù)據(jù)包括同步碼，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果和檢驗(yàn)碼，幀的同步可以采用特定的同步碼或者間隙同步，這里采用第二種方法。在數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)，首先拉高數(shù)據(jù)發(fā)送線，拉高的時(shí)間為發(fā)送16個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間，幀頭高電平的間隙用作數(shù)據(jù)幀的同步。
奇偶校驗(yàn)碼作為一種檢錯(cuò)碼雖然簡(jiǎn)單,但是漏檢率太高。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信中用得最廣泛的檢錯(cuò)碼,是一種漏檢率低得多也便于實(shí)現(xiàn)的循環(huán)冗余碼CRC。CRC生成多項(xiàng)式階數(shù)越高，誤判的概率越小。本文采用CCITT-16，其生成多項(xiàng)式為g(x)=x16+x15+x5+1。實(shí)現(xiàn)CRC的方法一般有兩種：直接計(jì)算和查表。由于查表法至少需要1kb的空間用來(lái)存儲(chǔ)表值，所以這里采用直接計(jì)算的方法。
數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用單線串行輸出，用口線模擬串行發(fā)送，發(fā)送字節(jié)時(shí)在口線上依次發(fā)送如圖4所示數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)為0時(shí)拉低口線電平，數(shù)據(jù)為1時(shí)拉高口線電平），位持續(xù)時(shí)間根據(jù)波特率計(jì)算，本應(yīng)用中設(shè)定波特率為9600b/s。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，輸出口線上維持高電平。
數(shù)據(jù)發(fā)送最后通過(guò)光耦隔離，使得現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)據(jù)的輸出隔離，同時(shí)可以根據(jù)后級(jí)系統(tǒng)輸入的需要簡(jiǎn)單地更改電路。
結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，單片MSP430F2013可實(shí)現(xiàn)小信號(hào)傳感器輸出電平測(cè)量，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1ms。并可實(shí)現(xiàn)低功耗測(cè)量，整機(jī)功耗不超過(guò)6mW。該系統(tǒng)特別適合于實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能傳感器，當(dāng)輸入信號(hào)滿輻度大于40mV時(shí)可以保證16位A/D轉(zhuǎn)換分辨率。由于采用半雙工的差分傳輸，可以方便地實(shí)現(xiàn)傳感器的組網(wǎng)。
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