摘要：基于STM32實現了電流型、電壓型以及數字IO型傳感器接口模塊；進行了接口模塊的軟件設計，說明了詳細的固件代碼設計。除傳統串口外，提供以太網接口，嵌入UDP協議，提供后期開發的便利接口。
關鍵詞：信號接口；傳感器接口模塊；UDP協議
0 引言
物聯網將會是未來很長一段時間內IT產業的發展趨勢，一個完整的物聯網系統的構成或產業鏈的劃分，目前業界比較統一的觀點基本都認為應該包括三個層面：末端設備或子系統、通信連接系統、以及管理和應用系統。即Device-設備、Connect-連接和Manage-管理。由于數字整合的需求日益增長，對作為感知層核心組成元素的傳感器數據融合提出了更高要求。如何將傳感器連入網絡成為一個尤其重要的問題。
傳感器通過接口模塊接入到相應網絡。傳感器通過信號接口連接到接口模塊，節點以相應的適配模塊接收和處理傳感器輸出信號，并將傳感器原始數據轉換為網絡用戶可以識別的信息，最后通過網絡通信接口連接到上位機或者任何網絡。
傳感器感知外部環境，某種敏感變量如電阻、電荷之類參量發生變化，然后經過信號處理，產生可供AD轉換的電壓或電流信號(目前ADC應用主要還是電壓輸入，電流模式ADC尚未大規模應用)，而后經AD轉換為可供處理的數字信號。由于在不同應用場合中會使用到針對上述不同層次接口的傳感器，故信號接口標準針對不同層次設計：
層次1：需經過信號調理然后才能輸入AD處理，如熱電阻、4～20mA電流輸出；
層次2：直接符合AD輸入要求的，如0～5V電壓輸出；
層次3：數字信號輸出，如開關量、RS232接口輸出；如圖2所示。
直接輸出可以連入網絡的接口，比如現場總線接口(如CAN、Profibus、工業以太網)、無線通信接口(如Zigbee、WI-FI)等一般無需考慮信號接口的問題，如需連入不同網絡可以使用相應的網關(如CAN轉以太網)。
基于此分類依據，傳感器輸出信號一般有電壓信號、電流信號、電阻信號、頻率信號、脈沖信號、數字電平信號等。
1 傳感器接口模塊設計概述
從功能上來講，接口模塊需要完成傳感器與應用網絡之間的連接，解決傳感器的異構性帶來的諸多問題，完成從原始信號到數據的數據流過程。總的來說包括傳感器接入及激勵、信號調理、AD轉換／數字濾波、數據處理和網絡通信。不同信號輸入類型的接口模塊在整體功能上是類似的，主要不同在于信號調理部分，以及AD轉換的不同要求。接口模塊整體功能如圖3所示。
信號調理針對不同信號類型設計。傳感器原始輸出的標準信號接入后，經過信號調理后生成可供ADC處理的信號。有的傳感器還需提供激勵源。
ADC依據不同應用需求所需的通道數、精度、速度進行選擇。可選擇外置ADC，系統要求不高或者在一些特殊場合也可使用SOC片上系統的內置ADC(比如TI的MSC1210系列MCU內置24bit sigma-delta ADC，尤其適合處理微弱信號)。
另外需要外擴存儲器存儲與傳感器或者接口模塊相關的描述信息，一般可使用EEPROM。鑒于此功能，存儲模塊芯片的選取就得考慮總線讀寫速度以及可編程性。由于需要在標準化接口模塊正常工作的同時修改Flash中的電子表單，所以存儲芯片得支持IAP(在應用編程)功能。
整個模塊的核心處理器為MCU或者FPGA，負責對整個模塊的邏輯進行控制，可根據不同應用要求選擇8位單片機或者高性能ARM處理器或者FPGA可重配置芯片。
網絡通訊采用可根據不同應用場合選取不同接口，比如RS485總線、CAN總線、Ethemet、WiFi等。可支持多個接口模塊，主機可對從模塊進行配置，可自由添加模塊。
2 基于STM32的傳感器接口模塊設計
2．1 電流接口模塊設計
以STM32F103系列處理器為核心，外掛ADC采樣芯片、以太網接口芯片、RS-232／485接口芯片。模擬電流信號經電流-電壓轉換電路、電壓放大電路、電平匹配電路輸入至ADC采樣芯片后由處理器采集。ADC芯片采用5V的外置參考電壓，提高精確度。EEPROM芯片通過IIC接口與處理器通信。處理器經由串口以及以太網接口與上位機進行數據和控制信息交換。調試接口為20針標準JTAG接口。
電源部分設計為輸入24V直流，經線性穩壓電路和電壓反轉電路生成模擬部分需要的5V電壓和數字電路需要的3．3V電壓。電源輸入的24V電壓可以直接供給工業上常用的二線制電流輸出傳感器做激勵。
整體結構如圖4所示。
下面介紹具體電路設計。電源部分為+24V-DC輸入經LM2596(IC1)開關電源芯片產生+5V-DC電壓，+5V電源直接供給模擬部分電路。IC2為LM1117—3．3線性穩壓芯片，將5V電源變換為3．3V供給數字電路。數字地與模擬地隔離，通過10 μH電感或者磁珠連接，可以抑制數字電路對于模擬電路部分的干擾。LED1和LED2分別用來指示兩部分的電源接通狀況。
輸入的電流由100Ω精密負載電阻變換為電壓信號，由同向放大電路放大至AD轉換所需要的電平，增益可以由電位器來進行微調。運放采用AD8551(U$3)，其在低壓差單電源情況下表現完美，具有極低失調電壓(5 μV)、極低的溫漂(0．03μV／℃)以及軌對軌輸入輸出的特性。
+24V電壓經過78L12Z(IC4)穩壓產生12V電源供給AD586(U52)芯片產生高精度5V基準信號，輸入到AD采樣芯片ADS8344(U$1)的參考輸入端。AD586的trim端連接10k電位器，可以對輸出的基準電壓進行精密調節。四路電流采樣信號經前級放大后直接輸入到AD芯片CH0-3通道，ADC由數字SPI接口連接MCU進行控制采集。
EEPROM存貯芯片采用241c64(IC5)芯片，具有64kbit存儲容量，外部接口為I2C與MCU相連。ARM芯片的IO口經MAX3232電平轉換芯片，將3.3V邏輯電平轉換為RS-232標準的電平信號，接入DB-9插頭。MAX3232采用3.3V供電，具有低功耗、高數據速率、增強型ESD保護等特性。 ENC28J60是SPI接口的以太網控制器，其SPI接口與MCU的SPI對應IO口相連，輸入和輸出分別為一組差分信號，接入帶有1：1脈沖變壓器的10BASE-T RJ-45插座。時鐘由外部提供，使用25M晶振。
2．2 電壓／數字IO接口模塊設計
電壓接口模塊與數字開關量接口模塊基本沿用電流接口模塊的設計。不同之處在于模擬輸入部分無需經過電流一電壓轉換，直接經運放輸入ADC。數字量接口直接由MCU的IO端口引出。傳感器輸出的電壓直接輸入同向放大電路至AD轉換所需要的電平。此處運放就相當于一個電壓跟隨器，顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，可以提高驅動能力。
2．3 接口模塊硬件實現
整個板子盡量使用緊湊布局。電源以及傳感器接口布置于左側，使用螺絲接線端子引出。串口以及以太網口布局在右側。整個模擬與數字部分基本分開而設，有效避免干擾。布局基本沒什么變化，左邊螺絲接線端子往外移了一些，主要是考慮到外殼封裝上后螺絲端子可能不夠外露的問題。
3 基于STM32的標準化接口模塊固件設計
標準化接口模塊的固件程序包括主程序、配置程序、ADC數據采樣程序、EEPROM讀寫程序、以太網網口驅動程序、UDP協議棧的嵌入。
接口模塊中共用到三種通信總線。ADC以及以太網控制器與MCU間為SPI總線，EEPROM與MCU間為IIC總線，另外接口模塊提供UART串口對外通信。以外網嵌入UDP協議。
3．1 AD數據采樣
AD數據采樣是整個系統接口模塊固件設計的核心工作，也是實現傳感器信息獲取的關鍵所在。該模塊負責將采集到的傳感器信息轉化為數字信號。
AD數據采樣主要完成如下的幾個功能：
(1)初始化。該工作主要完成對一些物理器件的引腳功能、工作模式等進行預定義；
(2)AD轉換。通過軟件啟動模數轉換芯片，完成模擬信號到數字信號的轉換；
(3)數據接收和發送。實時采集轉換后的信息，同時發送相應的控制命令，以切換采集通道。
在數據采集過程中，我們可能需要切換不同通道，從而實現對多個傳感器信息的獲取。實際設計中，控制器會在采集本次通道轉換結果的同時，發送下次采集通道的編號。詳細操作步驟如下：
(1)需采集的通道地址(Ch)通過SPI接口寫入ADS8344的相應寄存器，應用設定的波特率來設置接口傳輸速度；
(2)通過MCU設置GPIOB12(作為AD的CS信號)為低來啟動ADS8344進行數據采樣和轉換，數據傳輸方式為SPI發送模式；
(3)當數據發送完畢后，設置GPIOB12為高電平，ADS8344結束數據傳輸，進入空閑模式并等待MCU的指令。此外，固件代碼中設置了對ADC進行軟標定的程序。這樣可以通過精密信號源對ADC進行標定，提高采樣精讀。標定信息存儲于EEPROM中。功能實現代碼如下：
3．2 以太網口驅動
同樣需要先進行SPI接口和GPIO端口初始化，與之前ADC類似，只不過這里用SPI1口。GPIO初始化也不再多說。以太網驅動部分主要是數據包的發送／接收，緩沖區的讀寫，物理層的寫等函數。SPI口的發送／接收函數如下：
3．3 控制指令
串口指令格式
[起始標志][指令][指令參數1]<指令參數2>…[結束標志]
指令示意：
00 01 01 FF讀取通道1的電流值
00 04 C0 A8 89 03 FF設置IP地址為192(0xC0)．168(0xA8)．137(0x89)．3(0x03)
00 05 2E E0 FF設置UDP端口為12000(0x2EE0)00 07 10 11 11 10 14 19 FF往EEPROM的地址0x0110寫入數據0x49
00 09 19 18 FF將數字IO1設為輸出，高電平，IO2／3輸入，IO4輸出，低電平以太網支持串口的指令0x01-0x03及0x07-0x0a，其參數、功能和返回值與串口一致。不支持用以太網口配置網絡參數。
4 結果與總結
4．1 調試結果
在串口助手環境下調試。以太網參數設置：
發送指令00 04 C0 A8 89 03 FF設置接口模塊IP地址為192(0xC0)．168(0xA8)．137(0x89)．3(0x03)
發送指令00 05 55 66 FF設置接口模塊UDP端口為21862(0x5566)
發送指令00 06A1 B2 C3 D4 E5 06 FF設置接口模塊MAC地址
Ping接口模塊：cmd ping 192．168．137．3(串口已經設置好ip和端口號)
以太網采樣和讀寫EEPROM：發送類似同樣指令完成采樣以及讀寫操作
4．2 總結
本文以傳感器的輸出信號類型為分類依據，基于該信號接口分類給出了基于STM32的傳感器接口模塊的硬件設計，并實際設計實現了電流型、電壓型以及數字IO型模塊，給出了相應的硬件選型以及電路設計與實現；進行了接口模塊的軟件設計，說明了詳細的固件代碼設計。除傳統串口外，提供以太網接口，嵌入UDP協議，提供后期開發的便利。