1  引言
    传感器的智能化和集成化是其发展的两个重要方向,而传感器智能化和集成化的程度主要取决于与之相结合的微处理器的性能。具有数据处理能力,能够进行自动检测、自动校准、自动误差补偿、自动抽样、以及标度变换功能的智能压力传感器已成为国内外开发和研究的热点。智能传感器是由传统的传感器和微处理器相结合而成的。他充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳。
    c8051f350是完全集成的混合信号片上系统型mcu，该器件内含24位σ-δa/d转换器和8位d/a转换器。将c8051f350单片机与陶瓷式压力传感器相结合便可以构成高集成度、高精确度、高可靠性的小型化智能压力传感器。

　　2  c8051f350的性能特点
    单片机c8051f350是完全集成的混合信号片上系统型mcu，完整的数据采集系统芯片。由于其高精度和高速度，适用于智能传感、瞬时获取、数据采集和各种通信系统。其结构框图如图1所示。将c8051f350单片机与陶瓷式传感器相结合便可以构成高集成度、高精确度、高可靠性的小型化智能压力传感器。下面列出了一些主要特性：
    (1) 高速、流水线结构的8051兼容的cip-51内核(可达50 mips)。
    (2) 全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)。
    (3) 24位单端/差分sigma-delta模/数转换器(adc)，σ-δadc具有滤出量化噪声及混叠噪声能力强、分辨率高、线性度好、成本低等显著优点，同时对差模干扰的抑制能力很强，对外围元件的精度要求不太高，带模拟多路器，其前端不需要加抗混叠滤波器。该adc具有在片校准功能(对adc0的增益和偏移进行在系统校准)。可以使用内部的2.5v电压基准，也可以用差分外部基准进行比率测量。adc0中包含一个可编程增益放大器，有8种增益设置，最大增益可达128倍。模拟多路选择器将adc的差分输入与8个外部引脚及内部温度传感器相连。可以使用内部输入缓冲器为直接连接的变送器提供高输入阻抗。一个8位的偏移dac允许修正较大的输入偏移电压。片内burnout电流源可用于检测adc输入是否开路或短路。
    (4) 两个8位电流输出dac，dac的最大输出电流可以有四种不同的设置：0.25ma、0.5ma、1ma和2ma。dac有三种更新模式：软件命令、定时器溢出或与一个外部引脚边沿同步。
    (5) 高精度可编程的24.5mhz内部振荡器(可支持无晶体uart操作)，一个外部振荡器驱动电路和一个时钟乘法器。
    (6) 8kb在片flash存储器，768字节片内ram。
    (7) 硬件实现的smbus、增强型uart和spi串行接口。
    (8) 4个通用的16位定时器。
    (9) 具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列(pca)。
    (10) 片内上电复位、vdd监视器和温度传感器。
    (11) 片内电压比较器，该比较器具有可编程的响应时间和回差电压，并有两个输出。
    (12) 17个端口i/o(容许5v输入)和8个专用模拟输入通道，每个端口引脚都可以被配置为模拟输入或数字i/o引脚。被选择作为数字i/o的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止以节省功耗。数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口i/o引脚。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断或其它数字信号配置为出现在端口i/o引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口i/o和所需要的模拟和数字资源的组合。
    (13) 两种可软件编程的电源管理方式：空闲和停机。
    (14) 有两个电压基准选项：内部2.5v参考电压或外部参考电压。

　　3  modbus协议简介
    modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一种通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一个控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
    当在一个modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用modbus协议发出。在其它网络上，包含了modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

　　4  系统的硬件设计
    整个系统按照各部分功能可以分为电源模块、模拟信号调理模块、数据通信模块等部分。系统的总体框图如图1所示，智能传感器硬件原理图如图2所示。

图1  智能压力传感器系统结构框图

图2  智能传感器硬件原理图

　　4.1 系统电源电路设计
    24v直流电源经电源模块分别产生单片机所需的3.3v电压，运放所需的12v电压和通信模块所需的5v电压。c8051f350单片机采用模拟电源和数字电源分别供电，所以要在两个电源之间加一个1ω的隔离电阻，将模拟电源和数字电源分开，可避免它们之间的相互干扰。
c8051f350的片内d/a输出经外接运放放大后输出可调电压给陶瓷式压力传感器供电，因为传感器输出电压幅度随温度升高而降低，所以可以通过片内d/a调节传感器的激励电压，从而实现满量程温漂补偿。
　　4.2 系统信号调理电路设计
    c8051f350片内24位σ-δadc具有滤出量化噪声及混叠噪声能力和在片校准功能(对adc0的增益和偏移进行在系统校准)，同时adc0中还包含一个可编程增益放大器，有8种增益设置，最大增益可达128倍。片内模拟多路选择器将adc的差分输入与8个外部引脚及内部温度传感器相连。可以使用内部输入缓冲器为直接连接的变送器提供高输入阻抗。一个8位的偏移dac允许修正较大的输入偏移电压。片内burnout电流源可用于检测adc输入是否开路或短路,因此大大简化了信号调理模块的电路设计。本文信号调理电路只由一个电阻和电容组成的低通滤波器组成。
　　4.3 系统串行通信电路设计
    单片机通过max485芯片实现与上位机的modbus通信，把采集到的数据以数字信号的形式传给上位机，尽而提高了可靠性和抗干扰能力，通过数字总线接口可方便地挂接在现场数字总线上。
    由于c8051f350片内资源非常丰富，内部集成了高精度可编程的24.5mhz内部振荡器和a/d转换所需2.5v电压基准同时8kb的片内flash支持擦写，从而大大简化了单片机的外围电路设计，使的本系统的集成度很高。

　　5  系统的软件设计
    智能传感器就是在最少硬件条件的基础上采用强大的软件优势，使传感器具有高稳定性、高可靠性、高精度和高自适应能力。系统主程序流程如图3所示，本文智能传感器的软件设计主要完成以下功能。

图3  系统主程序流程图

　　5.1 双向通信功能
    智能传感器要能方便地用于现场总线测控系统中，实现工作现场与中央控制室之间的参数设定、调整和作业。本文通过modbus通信将采集到的数据实时传给上位机，并能够通过上位机更改智能传感器内部参数(智能传感器地址、通信波特率等)，同时使用基于mdobus协议的rs-485总线通信方式，具备通信距离长、通信效率高、开放性等优点。
　　5.2 数字滤波功能
    智能传感器不仅要具有获取信息的功能，还要有信息处理的能力，以便从噪声中自动准确地提取表征被检测对象特征的有用信息，本文采用相关技术和平均技术来滤出和信号频带重叠和噪声幅值比信号幅值大时的噪声。
　　5.3 自动补偿功能
    由于进行完善的实时自校准会增加智能传感器外围电路的设计负担，并且实现起来也很困难，所以本文利用片内温度传感器测得的温度，采用补偿法来消除因工作条件、环境参数发生变化而引起的零点漂移、灵敏度漂移等。补偿法首先利用某一温度下的标定数据，采用五阶多项式拟合法求出输入输出非线性方程，然后利用在不同温度和压力下的标定数据，求出相对于标准温度的补偿电压，最后根据传感器的输出量加上补偿电压后，再带入通过曲线拟合法得到非线性方程，得到的压力值就是我们想要的压力值。
　　5.4 自寻故障和自选量程功能
    智能传感器一般要具有在被测参数发生变化时能自动改换量程，从而达到减小相对误差的目的。本文设计的智能压力传感器在被测压力发生显著变化时，只需调整可编程增益放大器的放大倍数来改变量程，而不必更换或增加变送器，同时还具有短路、开路自动报警功能。

　　6  结束语
    实践证明：本文设计的智能压力传感器可应用于多种场合，实现实时的高精度压力采集，具有采集精度高、抗干扰性强和高性价比等优点，具有广阔应用前景。

　　作者简介
    徐国栋(1982-)  男  在读研究生，研究方向为检测技术与自动化装置。

　　参考文献
    [1] 张迎新,雷文. c8051f系列soc单片机原理及应用. 北京:国防工业出版社.
    [2] silicon laboratores.8051f35x data sheet.www.xinhualong.com,2005.
    [3] 童诗白,华成英. 模拟电子技术基础. 北京:高等教育出版社.
    [4] 范逸之,陈立元. visual basic与rs-232串行通信控制. 清华大学出版社.
    [5] 刘君华. 智能传感器系统. 西安：西安电子科技大学版社.

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