随着测控系统的自动化程度、复杂性、精度和可靠性要求的不断提高,人们对传感器性能的要求越来越高;但是传统传感器本身的某些不足束缚了这种发展,于是人们引入了以微处理器为代表的高新技术。为了减少传感器配置所用的时间,以及在此过程中面临的风险,最近 IEEE1451.4 为传感器提供了新的标准。该标准建立了一个使传感器具有即插即用功能的通用方法——为模拟接口传感器附加自我描述的功能。

 

现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。以往的现场总线一般都是采用有线的连接方式,采用一定的总线协议;而无线网络的出现,为现场总线的发展开辟了新的领域,提高了现场总线的灵活性。蓝牙技术是一种近距离无线数字通信的技术标准,旨在建立一项软、硬件结合的公开规范,为所有不同设备提供具有互操作性、可交叉开发的工具。利用蓝牙系统的散射网,把各个测试设备连接起来,可以形成一个测量系统网络。将蓝牙技术与即插即用传感器结合起来,就为自动控制与测试系统性能的提高和发展,提供了新的思路和途径。

 

本文旨在阐述一个基于蓝牙技术的即插即用传感器系统,通过识别、电路调理和蓝牙无线通信来实现传感器的即插即用。

 

1 系统方案

基于蓝牙技术的即插即用无线网络化传感器测量系统,主要由以下几个部分组成:传感器模块、识别模块、信号调理电路模块、A/D 转换模块、微处理器模块、蓝牙无线传输模块和上位机模块。系统结构如图 1 所示。

 

 

该测量系统的工作过程如下:DSP 读取识别模块的信息,用以辨识当前与系统连接的传感器;DSP 根据识别模块的信息对调理电路进行适当配置;传感器输出的信号经过 A/D 转换后送入 DSP;DSP 通过蓝牙模块将数据传输至上位机。若更换不同的传感器,只需将 DSP 复位,系统即可再次根据当前传感器单元的需要对电路进行配置,毋需人工干涉,从而实现了传感器的即插即用。

 

识别模块是即插即用传感器的重要组成部分,它为传感器提供自我描述信息。IEEE1451.4 标准为此定义了一种规范。此项标准定义了一种混合模式的接口,在保留了传统传感器模拟信号的同时,又附加了一个低成本的数字接口,用以传送嵌入在传感器中的传感器电子数据表(TEDS),以实现自我身份识别和自我描述的功能,如图 2 所示。

 

 

IEEEP1451.4 标准定义了两类混合模式接口,两线接口和多线接口。

 

两线接口,工作于恒流激励下,或集成压电电路(ICP)的传感器,如加速度传感器。用以在单一的线对上实现模拟信号和数字化 TEDS 信号的复用,如图 3 所示。

 

 

对于其他类型传感器的另一种接口模式是,把模拟部分和数字部分分离开来。在传感器的模拟输入 / 输出保持不变的基础上,把数字化 TEDS 并行添加到电路上。这样在实质上就可以实现任何形式传感器或激励器的即插即用,包括热电偶、热敏电阻、电桥传感器等。

 

混合模式接口的数字部分是基于 Maxim/Dallas 公司的 1Wire 协议上的。这是一种非常简明、低成本的主从串行通信协议。此协议只需要一个主设备(例如,数据采集系统)用以供电以及根据特定的时序初始化各个节点的每次传输,并且这些操作的通信都是在一根导线上完成的。

 

多线混合模式的接口具有更普遍的通用性,因此本文将采用这种方式来实现传感器的即插即用,并用 Maxim/Dallas 公司提供的 1Wire 器件来存储标准化传感器电子数据表(TEDS)。与其他智能传感器技术的即插即用相比,IEEEP1451.4 的独特之处在于它保留了传感器的模拟输出。因此,IEEEP1451.4 传感器可与包含传统模拟接口的系统相兼容。

 

以基于电桥测量原理的传感器为例,设计通用的调理电路,利用敏感电阻感受被测量的变化并转变成电压或电流信号。为了实现传感器的即插即用,本系统的调理电路部分就必须具备自动调节功能。下位机主要是采用 Motorola 的 DSP 评估板 DSP56311EVM 为基本装置,建立数据采集处理系统。系统启动时,采集传感器识别信息,并且通过控制各个数字电位器和电子开关对调理电路进行正确的配置,以达到精确处理传感器信号的目的,从而实现传感器的即插即用。最后通过蓝牙技术的无线网络,实现传感器之间的连接和数字通信。

 

2 系统的硬件设计

即插即用传感器测量系统在硬件设计方面,主要由以下几个部分组成:传感器单元包括传统模拟传感器和识别模块(TEDS)、供电单元、信号调理单元、A/D 转换及接口,如图 5 所示。

 

 

(1)传感器单元

采用 Honeywell 的 24PCCFA6D 型硅压阻压力传感器。该传感器的内部结构是在一个硅膜片上扩散出四个电阻。这四个电阻一般接成一个惠斯登电桥。识别模块由一个低成本的内存芯片构成,内部储存了标准化传感器电子数据表(TEDS)。TEDS 里储存的是一些重要的传感器信息和参数,可以进行自我辨认和自我描述。笔者采用 Maxim/Dallas 公司提供的 DS2430A,来存储用以配置传感器的 TEDS 信息。

 

(2)供电单元

对于同样的惠斯登电桥,供电方式不同,测量效果不一样。经过比较,恒压源供电与温度引起的阻值变化有关;而恒流源供电,输出电压只与桥臂上由压力引起的变化量以及恒流源的大小和精度有关,与温度无关。因此采用了与传感器匹配的 2mA 的恒流源供电,以达到灵敏度温漂最小;但是采用恒流源对电桥供电时,会带来输出的共模信号过大的问题。过高的共模电压很可能导致放大电路中的运放无法正常工作,为此在恒流源电路中加入了抑制共模电压的电位器 VR2,如图 6 所示。实践证明,改进后的恒流源电路电流输出稳定,并能很简便地对传感器的共模输出进行调节,使系统工作正常。

 

 

(3)信号调理单元

信号调理单元主要实现信号的采集和处理,其功能除了去除噪声和干扰外,更为重要的一点是:为了能实现传感器的即插即用,调理电路中的参数应能自动配置。在本系统中,通过多个非易失调节电位器 DS1804,实现对调理电路的程序化控制,如调节放大倍数。控制恒流源输出等。NV 校准电位器 DS1804 是单路、非易失性、100 级数字电位器。抽头位置通过 3 个控制引脚调整:CS、INC 和 U/D。根据需要,还可以通过串行接口,将抽头位置存储到 EEPROM 中。

 

在硬件连接中,把所有数字电位器的 INC 和 U/D 分别连到 DSP 的 PB4 和 PB5 上,而把它们的选通信号 CS 接到其他几个 GPIO 口上,通过 CS 的状态,决定当前所要操纵的数字电位器。

 

(4)信号采集单元

放大电路输出是传感器测得的压力信号,为模拟信号,需要进行模 / 数转换,再输入 DSP 进行处理。根据传感器本身的精度,考虑到实时性等因素,最终选择了 Maxim 公司的 MAX1065 模数转换器。对 A/D 转换进行控制和数据采集的主要过程有:启动转换、转换结束和数据读取。

 

MAX1065 的硬件连接情况如图 7 所示。在 REF、REFADJ 两个引脚与地之间,分别串入 1 个 1μF 和 1 个 0.1μF 的电容,就可以使用 MAX1065 内部提供的 4.096V 参考电压对模拟信号进行转换,不需要再外接参考电压源,简化了电路的设计,降低了成本。

 

(5)前端电路与 DSP 的连接设计

DSP 作为整个系统的核心,要对来自各个方面的信息作最终的判断和控制,因此接收信号和发出判断都需要经过它的接口。主要使用的接口有:外部存储器接口(PORTA)、串行接口(SCI)和通用输入输出接口(GPIO)。

 

通过 DSP 的串行接口(SCI)实现蓝牙模块和 DSP 的连接。根据 DSP 接口的情况,选择蓝牙模块的 RS232 连接方式。需要把 DSP 的串行接口 SCI 设置为符合 RS232 串口的数据传输方式。

 

DSP56311 提供了 34 个双向信号口,可以作为 GPIO(GeneralPurposeInput/Output)信号配置或者作为外围器件的专用信号。DSP56311 没有提供专门的 GPIO 信号,复位后为缺省状态。上述 34 个信号即为 GPIO。在前端电路中,需要与 DSP 的 GPIO 口相连的器件主要有 1Wire 存储器 DS2430A、A/D 芯片 MAX1065 以及几个数字电位器 DS1804。

 

3 系统的软件设计

基于硬件结构的设计搭建起来的测试系统,需要通过 DSP 的软件算法和上位机的软件设计来实现。DSP 的软件算法需要实现以下几个功能:读取标准化传感器电子数据表(TEDS),控制并调整各个数字电位器,传感器信号的采集和计算,对蓝牙模块的接口控制设计。上位机软件的设计是为了达到对主蓝牙单元的控制以及显示最终测量结果,软件流程如图 8 所示。

 

 

在系统中,DS2430A 的主要作用是向微处理器提供储存在其内部的 TEDS。要实现与 DS2430A 的通信,核心是掌握好 1Wire 器件信号收发时序的问题。为了保证数据的完整性,DS2430A 对通信协议有很严格的要求。DS2430A 的通信协议主要包括四种信号类型:初始化信号(包括 1 个复位脉冲和 1 个应答脉冲),写 0,写 1,读数据。这些信号中,除了应答脉冲以外,都是由总线控制单元发出的。

 

初始化信号:在一个复位脉冲后传来的一个应答脉冲,表示 DS2430A 已经准备好接收 ROM 命令了。DSP 首先发出(TX)一个复位脉冲,然后释放总线,转为接收(RX)状态。1Wire 总线通过上拉电阻被拉高至高电平状态。DS2430A 检测到数据引脚的上升沿后,等待 tPDH 后,发出应答脉冲。

 

读写信号:所有的读写时序都是由 DSP 拉低数据线开始的。数据线的下降沿会触发 DS2430A 内部的一个延时电路,使它与 DSP 同步。在写时序中,延时电路将决定 DS2430A 何时对数据线进行采样。对于读时序,如果将要传送的数据是“0”,延时电路将决定 DS2430A 把已经被 DSP 置高数据线拉低的时间长短;如果将要传送的数据是“1”,DS2430A 将在读时序内不改变数据线的状态。

 

结语

本文重点研究了以压力传感器为例的即插即用传感器:系统通过 TEDS 表中储存的重要的传感器信息和参数(制造商、型号以及传感器的序列号,大多数 TEDS 还描述了传感器的主要特征,如量程、灵敏度、温度系数、电气接口等),准确地识别出与之相连的压力传感器,并根据识别模块内所包含的信息准确配置前端电路。“即插即用”传感器程序的目标是创造一个开放式传感器标准,使系统集成商和终端用户可以对传感器进行自动设定测量和系统的自动控制。使用者可以下载 TEDS 二进制文件或者虚拟 TEDS 到其系统上,使原先的传感器具有“即插即用”的功能。

 

本课题的另一重要意义在于,将无线通信技术应用于网络化传感器,使信号的连接突破了空间的限制。无线通信技术应用的扩展,给测量领域提供了更多新的选择。在工业现场中,短程的无线连接有着广泛的应用需求,将蓝牙技术应用于工业现场,使用微波取代红外,既克服了红外的缺点,又降低了成本。