嵌入式智能化传感器的设计
发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:532
嵌入式智能化传感器的设计 摘 要： 给出了智能化传感器嵌入式控制器的开发环境、典型嵌入式微控制器硬件结构和软件结构及设计方法，同时对智能化传感器的信号处理方法作了简单介绍，最后提供了一些目前广泛应用的嵌入式微控制器芯片。
关键词： 嵌入式微单片机 智能传感器 信号处理
在智能化仪表应用中，片上型微处理控制器已经得到非常广泛的应用，这种微型控制器主要是向着单片化、微型化、高性价比的方向发展，特别是具有片上程序存储器、数据存储器和不同的i/o接口的单片微处理器的出现，改变了传统的智能化仪表的设计方法。传感器本身的智能化给现代仪表设计提供了更大的空间，一些微控制器本身带有a/d和d/a转换器、通讯接口（spi，can等）和保存校正参数的非易失存储器的功能，这种微控制器应用于传感器不仅给传感器功能提供了很多的附加功能，给用户提供了方便，而且减小了系统的有效空间，与一般系统设计中采用放大器、电阻及a/d转换器相比，这种微型控制器在性能／价格比上更具有竞争优势（其具备的a/d功能和d/a功能，通讯接口和程序存储器等可以节约更多的硬件成本）。
例如接近觉传感器在机器人机械手中有十分重要的应用，其线形化是制约其应用的主要的因素，一般红外接近觉传感器输入输出呈明显的非线形，且与温度相关，利用一般的模拟电路设计方法将其转换为标准输入信号提供给a/d转换器尽管在功能上能够实现，但是很难在性能上保持一致性；更为重要的是，在一些场合这种处理方法会增加硬件的成本，由于其体积较大而无法满足实际的使用要求，例如航天机器人使用的机械手上所使用的接近觉传感器对体积、信号的稳定性等都有严格的要求。如果使用嵌入式微型控制器可以通过校准获得的数据表存储到数据存储器中，还可以通过数学模型对温度的影响进行修正，并将测量的结果（距离）直接通过接口传送给上位机，比较两种方式，后者从功能上看毫无疑问节省空间、性能优越，而成本则相差无几，同时有效减少了上位机的处理时间。
下面根据实际使用中涉及到的一些问题做一些论述。
１ 嵌入式微处理单片机硬件结构
图１是一典型的微型控制器的结构框图，与一般微处理器不同的是其将程序存储器、数据存储器以及各种输入输出接口集成在单个芯片上，而一般的微型处理器需要外接各种存储器和扩展i/o接口。其基本的构成如下：
cpu——微型控制器中央处理单元比较简单，一般采用精简指令集，不具备浮点运算等高级操作功能，其中通用算术单元alu可以完成工作寄存器和文件寄存器间的算术和逻辑操作功能，以8位整形数据工作。在一般传感器的应用中无须复杂的数据处理，这种结构简单价格低廉的微单片处理器提供了一较好的解决方案。
数据存储器——由通用寄存器和特殊功能寄存器共同组成，与一般单片机以ｋ为单位的存储空间相比，微型控制器的存储单元较小，只有256个字节甚至更少，由于其空间小，地址简单，故常常用来作为微控制器的文件寄存器。有一些微单片机将这些寄存器作为eeprom或闪存，用来存储校准数据和一般常数。
程序存储器——用来存储运行程序。一般微型控制器采用特殊的结构保证程序存储器和数据存储器分开，与传统的冯．诺曼结构程序存储器和数据存储器在同一空间相比速度更快，使得处理器在获取命令的同时可以获取数据。同时这种结构可以使数据存储器宽度和程序存储器宽度不一样，后者可以采用较宽的结构以获取更高的编码效率，其空间一般以k为单位记。
i/o口——用来提供数值输入输出通道与外界交换数据，这些口除用于采样状态标志外，还可以通过编程设置为与a/d或d/a交换数据接口，或与其他单片机的通讯接口。
定时器／计数器——其功能主要根据相应的寄存器设置而定，作为计数器，可以对外界的状态变化或频率计数；用作定时器时，可以用来实现对外界事件计时或控制微处理器周期运行，如在某一段时间内没有事件发生时，作为看门狗的定时器可以周期的复位，对于智能型的传感器这种功能显然很有用。
a/d转换器——一般微单片机中都具备内部的4～8路a/d转换器，因此单片的微型机可以同时接入多个传感器并实现信号处理。早期微处理器中的这种a/d转换器是
嵌入式智能化传感器的设计 摘 要： 给出了智能化传感器嵌入式控制器的开发环境、典型嵌入式微控制器硬件结构和软件结构及设计方法，同时对智能化传感器的信号处理方法作了简单介绍，最后提供了一些目前广泛应用的嵌入式微控制器芯片。
关键词： 嵌入式微单片机 智能传感器 信号处理
在智能化仪表应用中，片上型微处理控制器已经得到非常广泛的应用，这种微型控制器主要是向着单片化、微型化、高性价比的方向发展，特别是具有片上程序存储器、数据存储器和不同的i/o接口的单片微处理器的出现，改变了传统的智能化仪表的设计方法。传感器本身的智能化给现代仪表设计提供了更大的空间，一些微控制器本身带有a/d和d/a转换器、通讯接口（spi，can等）和保存校正参数的非易失存储器的功能，这种微控制器应用于传感器不仅给传感器功能提供了很多的附加功能，给用户提供了方便，而且减小了系统的有效空间，与一般系统设计中采用放大器、电阻及a/d转换器相比，这种微型控制器在性能／价格比上更具有竞争优势（其具备的a/d功能和d/a功能，通讯接口和程序存储器等可以节约更多的硬件成本）。
例如接近觉传感器在机器人机械手中有十分重要的应用，其线形化是制约其应用的主要的因素，一般红外接近觉传感器输入输出呈明显的非线形，且与温度相关，利用一般的模拟电路设计方法将其转换为标准输入信号提供给a/d转换器尽管在功能上能够实现，但是很难在性能上保持一致性；更为重要的是，在一些场合这种处理方法会增加硬件的成本，由于其体积较大而无法满足实际的使用要求，例如航天机器人使用的机械手上所使用的接近觉传感器对体积、信号的稳定性等都有严格的要求。如果使用嵌入式微型控制器可以通过校准获得的数据表存储到数据存储器中，还可以通过数学模型对温度的影响进行修正，并将测量的结果（距离）直接通过接口传送给上位机，比较两种方式，后者从功能上看毫无疑问节省空间、性能优越，而成本则相差无几，同时有效减少了上位机的处理时间。
下面根据实际使用中涉及到的一些问题做一些论述。
１ 嵌入式微处理单片机硬件结构
图１是一典型的微型控制器的结构框图，与一般微处理器不同的是其将程序存储器、数据存储器以及各种输入输出接口集成在单个芯片上，而一般的微型处理器需要外接各种存储器和扩展i/o接口。其基本的构成如下：
cpu——微型控制器中央处理单元比较简单，一般采用精简指令集，不具备浮点运算等高级操作功能，其中通用算术单元alu可以完成工作寄存器和文件寄存器间的算术和逻辑操作功能，以8位整形数据工作。在一般传感器的应用中无须复杂的数据处理，这种结构简单价格低廉的微单片处理器提供了一较好的解决方案。
数据存储器——由通用寄存器和特殊功能寄存器共同组成，与一般单片机以ｋ为单位的存储空间相比，微型控制器的存储单元较小，只有256个字节甚至更少，由于其空间小，地址简单，故常常用来作为微控制器的文件寄存器。有一些微单片机将这些寄存器作为eeprom或闪存，用来存储校准数据和一般常数。
程序存储器——用来存储运行程序。一般微型控制器采用特殊的结构保证程序存储器和数据存储器分开，与传统的冯．诺曼结构程序存储器和数据存储器在同一空间相比速度更快，使得处理器在获取命令的同时可以获取数据。同时这种结构可以使数据存储器宽度和程序存储器宽度不一样，后者可以采用较宽的结构以获取更高的编码效率，其空间一般以k为单位记。
i/o口——用来提供数值输入输出通道与外界交换数据，这些口除用于采样状态标志外，还可以通过编程设置为与a/d或d/a交换数据接口，或与其他单片机的通讯接口。
定时器／计数器——其功能主要根据相应的寄存器设置而定，作为计数器，可以对外界的状态变化或频率计数；用作定时器时，可以用来实现对外界事件计时或控制微处理器周期运行，如在某一段时间内没有事件发生时，作为看门狗的定时器可以周期的复位，对于智能型的传感器这种功能显然很有用。
a/d转换器——一般微单片机中都具备内部的4～8路a/d转换器，因此单片的微型机可以同时接入多个传感器并实现信号处理。早期微处理器中的这种a/d转换器是
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