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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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+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。
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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。
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2.2 電壓/數字IO接口模塊設計
電壓接口模塊與數字開關量接口模塊基本沿用電流接口模塊的設計。不同之處在于模擬輸入部分無需經過電流一電壓轉換，直接經運放輸入ADC。數字量接口直接由MCU的IO端口引出。傳感器輸出的電壓直接輸入同向放大電路至AD轉換所需要的電平。此處運放就相當于一個電壓跟隨器，顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，可以提高驅動能力。
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2.3 接口模塊硬件實現
整個板子盡量使用緊湊布局。電源以及傳感器接口布置于左側，使用螺絲接線端子引出。串口以及以太網口布局在右側。整個模擬與數字部分基本分開而設，有效避免干擾。布局基本沒什么變化，左邊螺絲接線端子往外移了一些，主要是考慮到外殼封裝上后螺絲端子可能不夠外露的問題。
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3 基于STM32的標準化接口模塊固件設計
標準化接口模塊的固件程序包括主程序、配置程序、ADC數據采樣程序、EEPROM讀寫程序、以太網網口驅動程序、UDP協議棧的嵌入。
接口模塊中共用到三種通信總線。ADC以及以太網控制器與MCU間為SPI總線，EEPROM與MCU間為IIC總線，另外接口模塊提供UART串口對外通信。以外網嵌入UDP協議。
3.1 AD數據采樣
AD數據采樣是整個系統接口模塊固件設計的核心工作，也是實現傳感器信息獲取的關鍵所在。該模塊負責將采集到的傳感器信息轉化為數字信號。
AD數據采樣主要完成如下的幾個功能：
(1)初始化。該工作主要完成對一些物理器件的引腳功能、工作模式等進行預定義;
(2)AD轉換。通過軟件啟動模數轉換芯片，完成模擬信號到數字信號的轉換;
(3)數據接收和發送。實時采集轉換后的信息，同時發送相應的控制命令，以切換采集通道。
在數據采集過程中，我們可能需要切換不同通道，從而實現對多個傳感器信息的獲取。實際設計中，控制器會在采集本次通道轉換結果的同時，發送下次采集通道的編號。詳細操作步驟如下：
(1)需采集的通道地址(Ch)通過SPI接口寫入ADS8344的相應寄存器，應用設定的波特率來設置接口傳輸速度;
(2)通過MCU設置GPIOB12(作為AD的CS信號)為低來啟動ADS8344進行數據采樣和轉換，數據傳輸方式為SPI發送模式;
(3)當數據發送完畢后，設置GPIOB12為高電平，ADS8344結束數據傳輸，進入空閑模式并等待MCU的指令。此外，固件代碼中設置了對ADC進行軟標定的程序。這樣可以通過精密信號源對ADC進行標定，提高采樣精讀。標定信息存儲于EEPROM中。功能實現代碼如下：
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3.2 以太網口驅動
同樣需要先進行SPI接口和GPIO端口初始化，與之前ADC類似，只不過這里用SPI1口。GPIO初始化也不再多說。以太網驅動部分主要是數據包的發送/接收，緩沖區的讀寫，物理層的寫等函數。SPI口的發送/接收函數如下：
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3.3 控制指令
串口指令格式
[起始標志][指令][指令參數1]<指令參數2>…[結束標志]
指令示意：
00 01 01 FF讀取通道1的電流值
00 04 C0 A8 89 03 FF設置IP地址為192(0xC0).168(0xA8).137(0x89).3(0x03)
00 05 2E E0 FF設置UDP端口為12000(0x2EE0)00 07 10 11 11 10 14 19 FF往EEPROM的地址0x0110寫入數據0x49
00 09 19 18 FF將數字IO1設為輸出，高電平，IO2/3輸入，IO4輸出，低電平以太網支持串口的指令0x01-0x03及0x07-0x0a，其參數、功能和返回值與串口一致。不支持用以太網口配置網絡參數。
4 結果與總結
4.1 調試結果
在串口助手環境下調試。以太網參數設置：
發送指令00 04 C0 A8 89 03 FF設置接口模塊IP地址為192(0xC0).168(0xA8).137(0x89).3(0x03)
發送指令00 05 55 66 FF設置接口模塊UDP端口為21862(0x5566)
發送指令00 06A1 B2 C3 D4 E5 06 FF設置接口模塊MAC地址
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Ping接口模塊：cmd ping 192.168.137.3(串口已經設置好ip和端口號)
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以太網采樣和讀寫EEPROM：發送類似同樣指令完成采樣以及讀寫操作
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4.2 總結
本文以傳感器的輸出信號類型為分類依據，基于該信號接口分類給出了基于STM32的傳感器接口模塊的硬件設計，并實際設計實現了電流型、電壓型以及數字IO型模塊，給出了相應的硬件選型以及電路設計與實現;進行了接口模塊的軟件設計，說明了詳細的固件代碼設計。除傳統串口外，提供以太網接口，嵌入UDP協議，提供后期開發的便利。
工商網監
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