李 林

(中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

傳感器處于信號檢測與信號處理系統(tǒng)之首，是感知、獲取信息的窗口，獲取的信息要通過它轉(zhuǎn)換為更容易傳輸與處理的電信號。傳統(tǒng)機載機電系統(tǒng)中，傳感器信號種類單一、數(shù)量繁多、處理電路復雜[1]。而MEMS傳感器是采用微機械電子技術(shù)制造的新型傳感器，具有重量輕、功耗低、體積小、精度高、易于集成等優(yōu)點[2]。

智能傳感器技術(shù)是涉及計算機技術(shù)、微機械電子技術(shù)、信號處理技術(shù)、傳感技術(shù)等的綜合密集型技術(shù)，能實現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器所不能完成的功能。智能傳感器系統(tǒng)所采用的總線標準可分為基于芯片級的I2C總線、USB總線和IEEE1451智能傳感器接口標準。

本文以芯片級的I2C總線為基礎(chǔ)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種智能傳感器，集成了ARM處理器芯片及MEMS傳感器芯片，實現(xiàn)了大氣壓力、溫度、濕度、加速度等機電系統(tǒng)中常用環(huán)境信息參數(shù)的智能采集[3]。該模塊集成了傳感器采集功能、數(shù)據(jù)處理功能以及接口通信功能，可用于改善機電系統(tǒng)中單一傳感器采集信號品質(zhì)差，傳輸過程易受干擾的問題，同時具有集成度高、體積小、功耗低、智能性強等特點。

1 I2C總線介紹

I2C總線由飛利浦半導體公司開發(fā)，是用于芯片之間連接的總線，該總線使用兩根信號線進行數(shù)據(jù)的傳輸，包括：串行時鐘線(Serial Clock Line)和串行數(shù)據(jù)線(Serial Dataline)。連接到I2C總線上的任何器件都擁有唯一的地址，分7位地址和10位地址兩種[4]。

I2C總線最顯著的特點是規(guī)范的完整性、結(jié)構(gòu)的獨立性和用戶使用時的簡單化。I2C總線有嚴格的規(guī)范，如接口的電氣特性、信號時序、信號傳輸?shù)亩x、總線狀態(tài)設(shè)置、總線管理規(guī)則及總線狀態(tài)處理等。

I2C總線雖沒有并行總線的數(shù)據(jù)吞吐能力，但只需要很少的連線和IC連接管腳，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序編寫方便，易于實現(xiàn)用戶系統(tǒng)軟硬件的模塊化、標準化等。其優(yōu)點如下：

1) 2根信號線組成了I2C總線，結(jié)構(gòu)簡單；

2) 協(xié)議規(guī)范簡潔、協(xié)議內(nèi)容容易實現(xiàn)；

3) 多個器件可以同時掛在一條I2C總線上，總線上的器件可即熱插拔，便于組網(wǎng)應(yīng)用；

4) 電氣兼容性好。器件之間以開漏I/O相互連接，兼容TTL/LVTTL的邏輯電平只要選取適當?shù)纳侠娮杈湍茌p易實現(xiàn)；

5) 通信速率高。標準模式下，I2C總線傳輸速率為100 kb/s；快速模式下為400 kb/s；高速模式下可達3.4 Mb/s。

2 智能傳感器硬件設(shè)計

采用MEMS傳感器技術(shù)，實現(xiàn)智能傳感器的小型化、智能化。硬件電路由DC/DC模塊、微控制器最小系統(tǒng)、溫度傳感器電路、濕度傳感器電路，壓力傳感器，加速度傳感器，CAN總線收發(fā)電路，RS422收發(fā)電路構(gòu)成。整體功能框圖見圖1。

圖1 智能傳感器原理框圖

對大氣壓力、溫度、濕度、加速度等物理參數(shù)的采集選用了MEMS傳感器，MEMS是利用集成電路制造技術(shù)和微架構(gòu)技術(shù)把微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、控制處理電路甚至接口、通信和電源等制造在一塊或多塊芯片上的微型集成系統(tǒng)，具有微型化、集成化、智能化、低成本、高性能等優(yōu)點，大大縮小了傳感器的功耗、重量以及體積。

同時設(shè)計了高度集成的處理器最小電路(ARM Cortex-M3)，并且通過I2C總線接口實現(xiàn)了與4個傳感器的數(shù)據(jù)通訊，使得處理器可以對MEMS傳感器采集到的原始的物理參數(shù)信息進行數(shù)據(jù)解算和處理，同時可以對傳感器實現(xiàn)智能控制。模塊均選用表貼低功耗的電子元器件，因此使用1片DC/DC芯片實現(xiàn)對整個智能傳感器的供電，最大限度的減小了體積，降低了功耗，整板使用+5VDC供電，功耗僅為0.5W。

處理器對外還具備工業(yè)控制領(lǐng)域常用的RS422總線接口以及CAN總線接口，可以與上位機進行通訊，同時多個智能傳感器間可通過CAN總線接口進行組網(wǎng)，構(gòu)成如圖2所示的拓撲構(gòu)型。

圖2 智能傳感器網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

每個智能傳感器采集局部的溫度、濕度和大氣壓力等信息，上位機可對每個節(jié)點的智能傳感器進行參數(shù)設(shè)置，智能傳感器底層依據(jù)設(shè)置的參數(shù)進行采集數(shù)據(jù)預(yù)處理和濾波。

智能傳感器節(jié)點本身不考慮余度設(shè)計，需要時可通過使用多個智能傳感器節(jié)點搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)來提高整體的可靠性。智能傳感器節(jié)點將收集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過提高精度運算后通過CAN總線上報上位機，多位置傳感信號共同解算信息，在上位機上可進一步對感知目標多個位置的多個狀態(tài)做進一步的數(shù)據(jù)融合及處理，從而可以實現(xiàn)全面、多方位的對感知目標狀態(tài)的精確監(jiān)測。

智能傳感器的硬件電路圖如圖3所示。

圖3 智能傳感器硬件電路圖

3 智能傳感器軟件設(shè)計

智能傳感器的軟件設(shè)計為運行于內(nèi)部ARM處理器的駐留程序設(shè)計。該處理器配置了嵌入式μcos操作系統(tǒng)，這是一個小型的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，整個代碼量只有20k字節(jié)左右，非常適合于小型的嵌入式系統(tǒng)。程序主要有3個部分：設(shè)備驅(qū)動軟件、濾波算法軟件、通信協(xié)議軟件、功耗管理軟件。

圖4 智能傳感器軟件流程圖

當模塊上電后，首先進行處理器的初始化配置，然后對外設(shè)傳感器以及對外接口進行初始化配置。上述配置完成后，首先啟動CAN總線的通信線程，與上位機進行握手通訊，通訊成功后，智能傳感器可以接收來自上位機的命令，根據(jù)需要對前端各種物理量進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進行處理和發(fā)送。上位機可通過CAN總線接口向智能傳感器發(fā)配置信息，主要是數(shù)據(jù)的濾波算法的設(shè)置，需要智能傳感器通過總線上報的數(shù)據(jù)的格式和內(nèi)容等。

然后進行I2C總線通信的初始化，處理器通過I2C總線與模塊上的4個傳感器進行數(shù)據(jù)通訊，獲取傳感器采樣的數(shù)據(jù)值，根據(jù)接收到的上位機設(shè)置的濾波算法對原始傳感器數(shù)據(jù)進行濾波，同時根據(jù)上位機的配置信息對傳感器的各項參數(shù)進行設(shè)置。

功耗管理線程是系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵，當CAN總線通訊線程將當前數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，并且I2C總線通訊線程沒有收到任何命令時，這兩個線程就會處于阻塞狀態(tài)，此時處于最低優(yōu)先級的功耗管理線程就會啟動，此時ARM處理器利用I/O口關(guān)閉處于空閑模塊的電源，然后設(shè)置好休眠時間，進入低功耗模式，等待RTC喚醒。RTC喚醒后，再進入下一次的工作循環(huán)。

設(shè)備驅(qū)動主要是處理器與傳感器芯片間通過I2C總線構(gòu)成的智能傳感器模塊的核心處理電路的驅(qū)動控制，ARM處理器通過I2C總線與4個模塊內(nèi)傳感器進行控制命令與數(shù)據(jù)的相互傳輸，數(shù)據(jù)傳輸過程遵照I2C總線協(xié)議，其基本過程為開始，數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)答，結(jié)束。程序流程如圖5所示。

圖5 智能傳感器內(nèi)I2C總線數(shù)據(jù)傳輸流程圖

4 結(jié)束語

本設(shè)計實現(xiàn)了一種基于I2C總線的智能傳感器，可以實現(xiàn)對大氣壓力、溫度、濕度、加速度等物理參數(shù)的智能采集，支持通過CAN總線接口實現(xiàn)智能傳感器的組網(wǎng)以及與上位機的互聯(lián)。模塊選用MEMS集成芯片以及高集成度的嵌入式處理器，實現(xiàn)了模塊的智能化、小型化、高集成、低功耗，并且可以長期穩(wěn)定工作。

智能傳感器設(shè)計的第一個特點是低功耗，其硬件大部分采用超低功耗的芯片，軟件流程的設(shè)計使得處理器可以間隙性的進入休眠模式，進一步節(jié)省能量；第二個特點是智能性，靈活的組網(wǎng)方式使其能夠很方便地進行數(shù)據(jù)發(fā)送；第三個特點是模塊化設(shè)計，使得系統(tǒng)的調(diào)試、維護和升級更加方便。這些特點使得智能傳感器可以應(yīng)用于機載機電系統(tǒng)中，實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實時智能采集，有效地改善了傳統(tǒng)單一傳感器采集信號品質(zhì)差，傳輸過程易受干擾的問題。