天地（常州）自動化股份有限公司 胡文濤

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一種智能傳感器開發(fā)平臺

天地（常州）自動化股份有限公司 胡文濤

【摘要】產品平臺是整個系列產品所采用的公共要素的集合，基于產品平臺的研發(fā)具有提高研發(fā)效率、縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)風險等重要意義。通過模型分析，智能傳感器具有很多的公共要素，具備形成開發(fā)平臺的基礎。本文介紹了智能傳感器開發(fā)平臺的組成，主要組件的參數(shù)及實現(xiàn)原理，并描述了應用智能傳感器開發(fā)平臺的應用場景及應用效果。

【關鍵詞】產品平臺；智能傳感器；最小系統(tǒng)；DC/DC

項目名稱：遠程診斷基礎信息規(guī)范及平臺開發(fā)（項目編號：14GY001-01）。

引言

產品平臺是整個系列產品所采用的公共要素的集合，包括共享的系統(tǒng)架構、子系統(tǒng)、模塊/組件、關鍵零部件、核心技術等[1]。

基于產品平臺的研發(fā)具有重要的意義：

1)能有效縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)的風險；2)產品的可靠性積累，保證基于平臺開發(fā)的產品具有良好的質量；3)研發(fā)人員能迅速成長，通過平臺培訓能迅速掌握產品開發(fā)技術，有利于技術的傳承、分享與進步；4)徹底消除產品開發(fā)中大量低水平重復工作；5)平臺的標準化、系列化、規(guī)范化設計有利于提高零部件的品質，降低生產成本，極大地有利與產品的生產、維修與更新；6)平臺的知識集成減少了企業(yè)對個別員工的依附性，員工的正常流動不會影響企業(yè)的技術實力。

基于產品平臺的研發(fā)已經成為一種趨勢。

1 智能傳感器開發(fā)平臺的可行性

根據(jù)GB/T 7665-2005《傳感器通用術語》國家標準，傳感器的定義為：能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置[2]。智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理器，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理器相結合的產物。

一個典型的智能傳感器的模型[3]如圖1所示。

根據(jù)智能傳感器的定義和智能傳感器的模型，除了傳感部件和信號調理具有特殊性，其他的部分實現(xiàn)具有共性，可以提取成熟的實現(xiàn)方案，形成智能傳感器開發(fā)平臺。

傳感器平臺就是傳感器系列各產品中在設計和技術上所采用的共同要素的集合，包括可共用的系統(tǒng)架構、可共用的零部件、可共用的組件與可共用的技術等。

在統(tǒng)一規(guī)劃和設計的傳感器平臺基礎上，開發(fā)各種新型號傳感器，將可以獲得最大程度的設計和技術重用效果。

圖1　智能傳感器模型

2 智能傳感器開發(fā)平臺組成

一個傳感器平臺以某一款確定的MCU為核心，以一系列組件集合的形式存在。

圖3　DC/DC組件原理圖

圖5　模擬輸出原理圖

根據(jù)對智能傳感器模型的分析，智能傳感器核心組件主要包括：傳感部件、信號調理、信號采集、MCU、軟件架構、應用算法、網絡通信、信號輸出、人機接口、數(shù)據(jù)存儲、電源等。其中MCU、軟件架構、網絡通信、信號輸出、人機接口、數(shù)據(jù)存儲、電源等組件具有通用性，這些組件（包括硬件電路和軟件驅動等）組成了智能傳感器開發(fā)平臺。智能傳感器開發(fā)平臺的大致組成如圖2所示。

3 主要模塊參數(shù)及實現(xiàn)

3.1 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)包括MCU、晶振電路、復位電路（包括看門狗電路）、調試電路及電源電路，采用Freescale的MKL15Z128VLH4芯片，48MHz ARM Cortex-M0+內核，16位ADC，12位DAC，128K Flash，16K SRAM，支持低功耗設計。

3.2 DC/DC

DC/DC電源供電技術組件在智能傳感器平臺中分別為單片機及外圍電路和傳感器供電。輸入電壓范圍9～25V；兩路輸出電壓，6V(電流不小于300mA), 3.3V(電流不小于500mA),電壓可調，其他電壓等級通過這兩路電壓變換得到。

選用基于LM22671的500mA非隔離BUCK電路。其核心器件LM22671是BUCK開關調制器的整體集成電路，其輸入電壓范圍較寬4.5V～42V，輸出電壓可自行調節(jié)，6V、3.3V都可以產生；開關頻率為200KHz～1MHz；500mA帶載能力；結溫度范圍-40℃～125℃。提供使能引腳來關斷電源供電，降低待機功耗。

具體應用電路如圖3所示。

3.3 數(shù)碼管顯示

數(shù)碼管顯示組件采用軟件譯碼和動態(tài)顯示的方式。動態(tài)顯示驅動通過輪流控制各個LED數(shù)碼管的公共端，使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，在輪流顯示過程中，每個數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二級管的余輝效應，盡管實際上各個數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的感覺就像是同時點亮的，沒有閃爍感。

電路采用處理器IO口連接SN74LV595串行轉并行芯片，通過SN74LV595的并行輸出口控制LED各段的電平和選通信號的串行擴展方式。

3.4 RS485

選用成熟的MAX3072作為核心驅動芯片，信號隔離在“TTL”電平一側實現(xiàn)，選用成熟的光耦隔離電路。另外，為實現(xiàn)信號的徹底隔離，本組件選用金升陽的電源隔離模塊進行供電電源隔離。信號通信指示直接采用通信信號，即TTL電平的串口發(fā)送、接收信號，控制三極管的導通與關斷，進而控制LED燈亮與滅，實現(xiàn)信號收發(fā)指示功能。

具體應用電路如圖4所示。

3.5 模擬輸出

模擬輸出組件采用OPA2130芯片，通過DAC引腳和最小系統(tǒng)的ACOM_SO_DAC引腳相連，控制模擬輸出主件輸出工業(yè)控制中常用的4.0~20.0mA電流。

具體電路如圖5所示。

各組件除了硬件部分，還包括底層硬件驅動，智能傳感器開發(fā)平臺通過程序模板的方式將驅動集成，可以通過配置進行裁剪。

4 應用及結論

智能傳感器平臺可以看作一個模塊化、具有完備驅動程序的開發(fā)板，用戶可以直接利用展示板和平臺程序模板進行產品的前期驗證開發(fā)。智能傳感器平臺又是非常靈活和易于裁剪的，用戶可以在平臺的基礎上快速地進行產品的原型設計和應用開發(fā)，從而快速開發(fā)實際的產品。

智能傳感器開發(fā)平臺目前已廣泛應用于我司的傳感器開發(fā)，從接入傳感頭，到將傳感原始數(shù)據(jù)通過RS485鏈路傳到計算機顯示，整個開發(fā)過程大約僅需要10-30分鐘，工程師可以節(jié)省大量的時間用于對傳感特性和算法的摸索，大大提高了研發(fā)的效率。

參考文獻

[1]李儀.研發(fā)能力持續(xù)成長路線圖[M].北京:電子工業(yè)出版社出版社,2013:139-147.

[2]張暉.物聯(lián)網技術標準概述[M].北京:電子工業(yè)出版社出版社,2012:78-79.

[3]Kang Lee.A Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators.Tether-free Technologies and E-Manufacturing Workshop,Milwaukee WI,October 1-2,2001.

胡文濤（1983—），男，江蘇丹陽人，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事系統(tǒng)架構與協(xié)議設計工作。

作者簡介：