基于STM32的傳感器接口模塊的設計

　　物聯網將會是未來很長一段時間內IT產業的發展趨勢，一個完整的物聯網系統的構成或產業鏈的劃分，目前業界比較統一的觀點基本都認為應該包括三個層面：末端設備或子系統、通信連接系統、以及管理和應用系統。即Device-設備、Connect-連接和Manage-管理。由于數字整合的需求日益增長，對作為感知層核心組成元素的傳感器數據融合提出了更高要求。如何將傳感器連入網絡成為一個尤其重要的問題。

　　傳感器通過接口模塊接入到相應網絡。傳感器通過信號接口連接到接口模塊，節點以相應的適配模塊接收和處理傳感器輸出信號，并將傳感器原始數據轉換為網絡用戶可以識別的信息，最后通過網絡通信接口連接到上位機或者任何網絡。

　　傳感器感知外部環境，某種敏感變量如電阻、電荷之類參量發生變化，然后經過信號處理，產生可供AD轉換的電壓或電流信號(目前ADC應用主要還是電壓輸入，電流模式ADC尚未大規模應用)，而后經AD轉換為可供處理的數字信號。由于在不同應用場合中會使用到針對上述不同層次接口的傳感器，故信號接口標準針對不同層次設計：

　　層次1：需經過信號調理然后才能輸入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：數字信號輸出，如開關量、RS232接口輸出;如圖2所示。

　　直接輸出可以連入網絡的接口，比如現場總線接口(如CAN、Profibus、工業以太網)、無線通信接口(如Zigbee、WI-FI)等一般無需考慮信號接口的問題，如需連入不同網絡可以使用相應的網關(如CAN轉以太網)。

　　基于此分類依據，傳感器輸出信號一般有電壓信號、電流信號、電阻信號、頻率信號、脈沖信號、數字電平信號等。

　　1 傳感器接口模塊設計概述

　　從功能上來講，接口模塊需要完成傳感器與應用網絡之間的連接，解決傳感器的異構性帶來的諸多問題，完成從原始信號到數據的數據流過程。總的來說包括傳感器接入及激勵、信號調理、AD轉換/數字濾波、數據處理和網絡通信。不同信號輸入類型的接口模塊在整體功能上是類似的，主要不同在于信號調理部分，以及AD轉換的不同要求。接口模塊整體功能如圖3所示。

　　信號調理針對不同信號類型設計。傳感器原始輸出的標準信號接入后，經過信號調理后生成可供ADC處理的信號。有的傳感器還需提供激勵源。

　　ADC依據不同應用需求所需的通道數、精度、速度進行選擇。可選擇外置ADC，系統要求不高或者在一些特殊場合也可使用SOC片上系統的內置ADC(比如TI的MSC1210系列MCU內置24bit sigma-delta ADC，尤其適合處理微弱信號)。

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

　　整個模塊的核心處理器為MCU或者FPGA，負責對整個模塊的邏輯進行控制，可根據不同應用要求選擇8位單片機或者高性能ARM處理器或者FPGA可重配置芯片。

　　網絡通訊采用可根據不同應用場合選取不同接口，比如RS485總線、CAN總線、Ethemet、WiFi等。可支持多個接口模塊，主機可對從模塊進行配置，可自由添加模塊。

　　2 基于STM32的傳感器接口模塊設計

　　2.1 電流接口模塊設計

　　以STM32F103系列處理器為核心，外掛ADC采樣芯片、以太網接口芯片、RS-232/485接口芯片。模擬電流信號經電流-電壓轉換電路、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IIC接口與處理器通信。處理器經由串口以及以太網接口與上位機進行數據和控制信息交換。調試接口為20針標準JTAG接口。

　　電源部分設計為輸入24V直流，經線性穩壓電路和電壓反轉電路生成模擬部分需要的5V電壓和數字電路需要的3.3V電壓。電源輸入的24V電壓可以直接供給工業上常用的二線制電流輸出傳感器做激勵。

　　整體結構如圖4所示。

　　下面介紹具體電路設計。電源部分為+24V-DC輸入經LM2596(IC1)開關電源芯片產生+5V-DC電壓，+5V電源直接供給模擬部分電路。IC2為LM1117—3.3線性穩壓芯片，將5V電源變換為3.3V供給數字電路。數字地與模擬地隔離，通過10 μH電感或者磁珠連接，可以抑制數字電路對于模擬電路部分的干擾。LED1和LED2分別用來指示兩部分的電源接通狀況。

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

　　+24V電壓經過78L12Z(IC4)穩壓產生12V電源供給AD586(U52)芯片產生高精度5V基準信號，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，可以對輸出的基準電壓進行精密調節。四路電流采樣信號經前級放大后直接輸入到AD芯片CH0-3通道，ADC由數字SPI接口連接MCU進行控制采集。

　　EEPROM存貯芯片采用241c64(IC5)芯片，具有64kbit存儲容量，外部接口為I2C與MCU相連。ARM芯片的IO口經MAX3232電平轉換芯片，將3.3V邏輯電平轉換為RS-232標準的電平信號，接入DB-9插頭。MAX3232采用3.3V供電，具有低功耗、高數據速率、增強型ESD保護等特性。 ENC28J60是SPI接口的以太網控制器，其SPI接口與MCU的SPI對應IO口相連，輸入和輸出分別為一組差分信號，接入帶有1：1脈沖變壓器的10BASE-T RJ-45插座。時鐘由外部提供，使用25M晶振。