组成智能传感器的接口芯片

组成智能传感器的接口芯片摘要介绍了几种组成智能传感器的接口芯片的功能、工作原理、结构框图，以及其使用方法和应用电路。关键词智能传感器接口电路芯片0引言智能传感器是传感器技术发展中的一个重要方向，因其在性能上较普通传感器有很大的提高，近年来智能传感技术发展很快。目前的智能传感器在结构形式上大都由敏感元件和外接的信号调理电路、微计算机组成，还很难将它们集成在一个芯片上。但随着半导体技术的发展和对智能传感器研究的不断深入，已研制出一些专门的集成电路芯片，用来对敏感元件的信号进行放大、滤波、A/D转换以及数据处理。这些芯片和敏感元件一起，可以方便地组成具有一定功能的智能传感器。这些专用芯片具有信号处理功能全、集成度高、体积小、可靠性好、价格便宜等特点。它的出现将迅速普及智能传感器的应用，大大推动智能传感器的发展。本文将集中介绍几种这类接口芯片。1接口芯片简介1.1通用传感器接口芯片USIC(UniversalSensorInterfaceChip)［1］在传感器信号处理中，许多场合要求能够处理多种类型的传感器输出信号，并要求具备局域智能化和数字通讯接口。研制USIC是尤里卡计划中JAMIE(JointLanguageMicrosystemsInitiativeofEurope-EU579)工程中的一部分，目的在于能够应用于JAMIE工程中的各种智能传感器，使传感器结构更简单，并具有容错性。USIC具有智能传感器所需要的各种信号处理能力，并能在大多数的传感器应用场合中使用，它在多数场合只需少量的外围元件就可提供复杂的高质量处理功能。图1是USIC的方框图。从图中可以看出，该芯片主要由以下几部分组成：多路开关、运放、A/D转换器、计数器、RISC处理器、D/A转换器、数字通讯界面，分别具有串行和并行接口。图1通用传感器接口芯片原理框图USIC提供了传感器数据处理的多数功能，因而用户可以根据自己的需要灵活地组织使用。值得注意的是该芯片中每一部分的输出均有管脚引出，因此可以方便地组成各种电路，由用户选择是否使用运放或多路开关。两个模拟多路开关允许每个A/D转换器可以分别接入三个信号源。这对于在不同的传感器之间进行校准时是十分有用的。可以将标准传感器和被校准传感器分别接于模拟多路开关的两个输入端，通过RISC处理器控制切换开关，分别对两传感器的输出进行A/D采集，然后对数据进行处理，从而校准传感器。两个斩波稳零运算放大器可外接少量RC网络构成模拟滤波器、电流源、积分器或信号累加器等电路。亦可用做普通放大电路，将敏感元件输出的信号放大至0～5V提供给A/D转换器。A/D转换器包含一个具有一位过采样率的调节器和一个FIR数字滤波器。它采用∑－Δ（求和－比较）技术，该技术把ADC的性能与集成化转换器的低成本结合在一起，并能提供噪声抑制特性。而且采用过采样技术和数字滤波技术，即采用很低的分辨率（bit）和很高的采样频率（MHz）来量化模拟信号。如果降低采样率，相应地就要增加分辨率。其基本型使用一个跟踪环，在最简配置时由一个积分器、一个比较器和一个1位DAC组成，它从输入信号中减去DAC的输出后将结果送入积分器，经积分后与零电平比较，并以MHz的速率进行锁存，输出一个串行位流（0和1），位流经数字滤波后转换成相应的分辨率（位数）。因∑－Δ转换由高速时钟脉冲锁存，所以它不需要采样/保持电路。USIC中采用成对设计的∑－ΔA/D转换器可以得到比双通道单个A/D转换器更高的精度，并且可以实时地对两路信号进行A/D转换。A/D转换器在低采样速率(10Hz)可以达到20位精度，在最大采样速率(4kHz)时可达15位精度，A/D转换器由芯片上的RISC处理器进行设置和控制。两个24位计数器可作为脉冲计数器，定时器用来测量频率(0～4MHz)或进行计数。适用于频率或数字量输出的传感器，如流量传感器、角编码器等。RISC处理器是该芯片的关键部件，在发送给中心计算机之前，传感器数据由RISC处理器进行预处理（如线性拟合、温度补偿）并贮存起来。RISC处理器的主要特点有：.8位高速CMOSRISCCPU.42个单字节指令.除了编程分支以外，均为单周期指令.24位数据总线.32k字节外部ROM和32k字节外部RAM.256字节可寻址寄存器（包括128字节内部集成数据RAM）.8级12位硬件堆栈.硬件中断控制数字输出在处理器的控制下选择RS485/RS232串行通讯或并行接口，由芯片中两个16位数模转换器产生模拟输出。DAC还可以同内部的数字正弦波发生器相连做为一个激励源输出，正弦波的频率在400Hz～1kHz之间。当采用USIC制作传感器校准仪时，例如加速度校准，便可利用此激励源作为振动台的输入，再利用USIC的A/D转换器，便可方便地测量加速度的幅频特性和相频特性。另外，模拟输出还可以作为传感器自检时的激励信号。1.2信号调节电路SCA2095［2］图2是ISS（IntegratedSensorSolutions）公司开发的智能传感器信号调节电路原理框图。SCA2095是应用于利用压阻效应，采用全桥设计的传感器（例如压力传感器、应力计、加速度计等）的信号调节电路的集成电路芯片。SCA2095采用EEPROM进行校准、温度补偿，并具有传感器输出保护和诊断的功能。SCA2095还能够更好调节增益和传感器电桥偏移，能修正灵敏度误差。芯片的外部数字接口采用三线制，即串行时钟SCLK、数据输出DO、数据输入DI。通过CPU的操作，设置零位偏移寄存器、温度寄存器、零点温度补偿寄存器、输出基准寄存器、增益温度补偿寄存器等。这些寄存器中的值通过D/A转换器变成模拟量叠加在调理电路中，从而改善了传感器特性。图2SCA2095原理框图1.3其它接口芯片其它接口芯片还有AD7705、AM401、ESI520等。AD7705由多路混合器、缓和器、可编程增益放大器、∑－ΔAD转换器以及数字串行界面组成，它具有两路模拟输入，因此可以方便地进行温度补偿。可编程增益放大器的增益在1～128之间。AM401包括电流输出、电压输出以及比例输出和开关输出。可以同各种传感器连接使用。ESI520由微处理器和一个混合信号ASIC组成，16脚DIP封装，ASIC由仪表放大器、参考可调的D/A转换器，可编程增益放大器、低频滤波器以及温度传感器、10位A/D串行接口的组成。2智能传感器应用实例图3是利用通用接口芯片（USIC）构成智能温度压力传感器的实例。在该智能传感器中，利用压阻效应测量压力变化，同时利用半导体PN结的温度特性测量温度。图3USIC应用电路压力传感器由具有压阻效应的敏感元件构成测量电桥，当受外界压力作用时，电桥失去平衡，产生输出电压。由于在该实例中，仅用到两路传感器，因此无须使用多路开关，输出信号直接提供给运放A构成的差动放大电路。其输出通过一个RC网络组成的低通的单极点滤波器提供给A/D转换器。温度传感器采用具有温度特性的PN结。电阻R和温度传感器（二极管）构成分压电路，当温度变化时，由于PN结的正向导通电阻改变，从而使分压电路上的压降有所变化，该信号提供给运放B构成的2极点切比雪夫滤波器，其增益达到4mV/℃。ADC的精度受到运放A的CMRR（共模抑制比）的限制。采用0.1%的电阻可达到55dB。尽管在制作传感器时采用多种手段仍不能消除压力传感器的非线性，特别是热灵敏度漂移，而温度传感器更是一个非线性元件，采用模拟的方法很难修正这些非线性误差，因此，校准、线性化和偏移校准由RISC处理器在数字电路中控制，片外EEPROM可用来储存数据进行查表处理等工作。从而使传感器的测量精度更高。USIC通过串行接口RS485同现场总线控制器连接，这样，采用通用接口芯片构成的智能压力传感器就通过现场总线连入测控系统。3结束语随着技术的不断的发展，对智能传感器的需求越来越多，诸多公司都不断推出和完善自身的产品，因此，接口芯片也将越来越多，并且功能也日趋完善。作者简介：王劲松，男，1968年生。1990年毕业于哈尔滨工业大学。现为哈尔滨工业大学自动化测试与控制系博士生。研究方向为传感器智能化与数据融合。作者单位：哈尔滨工业大学自动化测试与控制系，哈尔滨150001参考文献1WilsonPD.UniversalSensorInterfaceChip,MarketRequirementsandSpecification.IEEColloquium,MovingandFlexingMicrostructures-TheirDesign,ModelingandProduction,1994.152NaikMD,DunbarML.CMOS-BasedSmartSensors.Sensors,1997.22来源：启蒙电子