天地（常州）自动化股份有限公司 胡文涛



一种智能传感器开发平台

天地（常州）自动化股份有限公司 胡文涛

【摘要】产品平台是整个系列产品所采用的公共要素的集合，基于产品平台的研发具有提高研发效率、缩短研发周期、降低研发风险等重要意义。通过模型分析，智能传感器具有很多的公共要素，具备形成开发平台的基础。本文介绍了智能传感器开发平台的组成，主要组件的参数及实现原理，并描述了应用智能传感器开发平台的应用场景及应用效果。

【关键词】产品平台；智能传感器；最小系统；DC/DC

项目名称：远程诊断基础信息规范及平台开发（项目编号：14GY001-01）。

引言

产品平台是整个系列产品所采用的公共要素的集合，包括共享的系统架构、子系统、模块/组件、关键零部件、核心技术等[1]。

基于产品平台的研发具有重要的意义：

1)能有效缩短研发周期、降低研发的风险；2)产品的可靠性积累，保证基于平台开发的产品具有良好的质量；3)研发人员能迅速成长，通过平台培训能迅速掌握产品开发技术，有利于技术的传承、分享与进步；4)彻底消除产品开发中大量低水平重复工作；5)平台的标准化、系列化、规范化设计有利于提高零部件的品质，降低生产成本，极大地有利与产品的生产、维修与更新；6)平台的知识集成减少了企业对个别员工的依附性，员工的正常流动不会影响企业的技术实力。

基于产品平台的研发已经成为一种趋势。

1 智能传感器开发平台的可行性

根据GB/T 7665-2005《传感器通用术语》国家标准，传感器的定义为：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置[2]。智能传感器是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理器，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理器相结合的产物。

一个典型的智能传感器的模型[3]如图1所示。

根据智能传感器的定义和智能传感器的模型，除了传感部件和信号调理具有特殊性，其他的部分实现具有共性，可以提取成熟的实现方案，形成智能传感器开发平台。

传感器平台就是传感器系列各产品中在设计和技术上所采用的共同要素的集合，包括可共用的系统架构、可共用的零部件、可共用的组件与可共用的技术等。

在统一规划和设计的传感器平台基础上，开发各种新型号传感器，将可以获得最大程度的设计和技术重用效果。

图1　智能传感器模型

2 智能传感器开发平台组成

一个传感器平台以某一款确定的MCU为核心，以一系列组件集合的形式存在。

图3　DC/DC组件原理图

图5　模拟输出原理图

根据对智能传感器模型的分析，智能传感器核心组件主要包括：传感部件、信号调理、信号采集、MCU、软件架构、应用算法、网络通信、信号输出、人机接口、数据存储、电源等。其中MCU、软件架构、网络通信、信号输出、人机接口、数据存储、电源等组件具有通用性，这些组件（包括硬件电路和软件驱动等）组成了智能传感器开发平台。智能传感器开发平台的大致组成如图2所示。

3 主要模块参数及实现

3.1 最小系统

最小系统包括MCU、晶振电路、复位电路（包括看门狗电路）、调试电路及电源电路，采用Freescale的MKL15Z128VLH4芯片，48MHz ARM Cortex-M0+内核，16位ADC，12位DAC，128K Flash，16K SRAM，支持低功耗设计。

3.2 DC/DC

DC/DC电源供电技术组件在智能传感器平台中分别为单片机及外围电路和传感器供电。输入电压范围9～25V；两路输出电压，6V(电流不小于300mA), 3.3V(电流不小于500mA),电压可调，其他电压等级通过这两路电压变换得到。

选用基于LM22671的500mA非隔离BUCK电路。其核心器件LM22671是BUCK开关调制器的整体集成电路，其输入电压范围较宽4.5V～42V，输出电压可自行调节，6V、3.3V都可以产生；开关频率为200KHz～1MHz；500mA带载能力；结温度范围-40℃～125℃。提供使能引脚来关断电源供电，降低待机功耗。

具体应用电路如图3所示。

3.3 数码管显示

数码管显示组件采用软件译码和动态显示的方式。动态显示驱动通过轮流控制各个LED数码管的公共端，使各个数码管轮流受控显示，在轮流显示过程中，每个数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二级管的余辉效应，尽管实际上各个数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的感觉就像是同时点亮的，没有闪烁感。

电路采用处理器IO口连接SN74LV595串行转并行芯片，通过SN74LV595的并行输出口控制LED各段的电平和选通信号的串行扩展方式。

3.4 RS485

选用成熟的MAX3072作为核心驱动芯片，信号隔离在“TTL”电平一侧实现，选用成熟的光耦隔离电路。另外，为实现信号的彻底隔离，本组件选用金升阳的电源隔离模块进行供电电源隔离。信号通信指示直接采用通信信号，即TTL电平的串口发送、接收信号，控制三极管的导通与关断，进而控制LED灯亮与灭，实现信号收发指示功能。

具体应用电路如图4所示。

3.5 模拟输出

模拟输出组件采用OPA2130芯片，通过DAC引脚和最小系统的ACOM_SO_DAC引脚相连，控制模拟输出主件输出工业控制中常用的4.0~20.0mA电流。

具体电路如图5所示。

各组件除了硬件部分，还包括底层硬件驱动，智能传感器开发平台通过程序模板的方式将驱动集成，可以通过配置进行裁剪。

4 应用及结论

智能传感器平台可以看作一个模块化、具有完备驱动程序的开发板，用户可以直接利用展示板和平台程序模板进行产品的前期验证开发。智能传感器平台又是非常灵活和易于裁剪的，用户可以在平台的基础上快速地进行产品的原型设计和应用开发，从而快速开发实际的产品。

智能传感器开发平台目前已广泛应用于我司的传感器开发，从接入传感头，到将传感原始数据通过RS485链路传到计算机显示，整个开发过程大约仅需要10-30分钟，工程师可以节省大量的时间用于对传感特性和算法的摸索，大大提高了研发的效率。

参考文献

[1]李仪.研发能力持续成长路线图[M].北京:电子工业出版社出版社,2013:139-147.

[2]张晖.物联网技术标准概述[M].北京:电子工业出版社出版社,2012:78-79.

[3]Kang Lee.A Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators.Tether-free Technologies and E-Manufacturing Workshop,Milwaukee WI,October 1-2,2001.

胡文涛（1983—），男，江苏丹阳人，硕士，工程师，现主要从事系统架构与协议设计工作。

作者简介：