2 智能传感器的硬件设计
硬件设计主要介绍信号调理模块、A／D转换模块、数据通信模块3个模块。传感器采用加速度传感器ADXL250，ADXL250是ADI公司推出的低噪声、低功耗的二维加速度计。它是利用ADI公司创始的微电子机械系统MEMS技术制造的。中央微处理器采用C805lF060，其内部集成2个16位 SAR(逐次逼近型)A／D转换器，8通道10位SAR A／D转换器，可完成模拟信号模数转换功能，是整个系统的控制、通讯核心。一方面它对传感器输出的信号进行采集、转换，另一方面中央处理器对EEPROM实现数据传输。中央微处理器包含一个可编程内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，为了减小系统功耗和体积，采用可编程内部振荡器。大多数情况下，从传感器中输出的电信号不能直接送入模数转换器，要经过必要的信号调理电路进行适当的调理，使信号在模数转换电压范围之内，然后经过信号滤波电路，滤掉信号中的杂波成分，才能使其在形式、幅度、信噪比、转换灵敏度和精度等方面达到中央处理器的要求，以提高传感器数字化后的精度。智能传感器硬件设计中，加速度模拟信号经过分压、跟随及滤波等处理后，再进入A／D转换器进行A／D转换，其调理电路框图如图1所示。

加速度计输出电压为：

式中：Vs为供电电压，单位为V；Sensitivity为输出的加速度灵敏度，单位为mV／g。ADXL250的灵敏度为38 mV／g；a为输入的加速度，单位为g。
经过计算输出电压范围为0．9～4．4 V。因为A／D转换器所能采集的电压范围为0～2．4 V，所以必须对加速度信号进行分压，才能正确地被A／D转换器进行模数转换。分压电路采用简单的电阻分压，并用运算放大器进行跟随。分压处理后，输出的加速度信号范围为0．45～2．2V，满足A／D转换器的采集范围。设计中选择了1 MΩ的分压大电阻进行分压，这样做的好处是能提高系统的输入阻抗，减小由于输入阻抗过低对加速度信号的影响。
滤波是对传感器信号分压后进行的模拟滤波处理。设计中采用集成开关电容滤波器MAX291对传感器信号进行模拟滤波。MAX291是MAXIM公司生产的8阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器。MAX291的可靠性和稳定性高，避免了分立元件的各种误差、漂移影响。它的3 dB截止频率可在0．1～25 Hz之间选择，具有固定的归一化频率响应。时钟频率fCLK与截止频率fC的比值为100：1；噪声低，典型值为一70 dB THD+Noise。如果直接利用MAX291的内部时钟振荡器，只需外接一只电容，其电容值和3 dB截止频率则满足：

设计中直接采用MAX291内部振荡器，外接0．1μF的电容。图2是滤波电路的滤波效果对比图。

在设计中由于系统紧凑性设计的特殊需要，选用微处理器集成的模数转换器，同时也节约了成本。C8051F060的A／D转换器系统包括两个lMs／s、16位分辨率的逐次逼近寄存器型A／D转换器，A／D转换器中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DMA接口。为了提高传感器信号采集精度，这里A／D转换采用内部电压基准，可以通过相应的控制寄存器进行配置。内部电压基准电路由一个温度稳定性好的1．2 V带隙电压基准发生器和一个2倍增益的输出缓冲放大器组成。ADCO的电压基准电路由基准控制寄存器REFOCN控制。REFOCN寄存器用于独立地使能／禁止ADCO的内部基准和偏置发生器电路。BIASE0位使能ADC0的内部偏置发生器。该位为‘1’时，ADC0内部偏压发生器工作。设计中使用的是ADC0内部电压基准，则必须使ADC0所对应的BLASE0和REFBEO位都被置‘1’，内部2．4 V电压基准输出到VREFO引脚。VREF0引脚对AGND的最大负载必须小于100μA，应在VREF0引脚与VRGND0之间接入0．1μF和47μF的旁路电容。使用ADC0时，应将ADCO电压基准接地引脚VRGNDO接地．经过上述合理的设计后，系统中测得的电压基准约为2．44 V。ADCO的最高转换速度为1 Ms／s，转换时钟来自系统时钟分频，寄存器ADCOCF中的ADCOSC位决定每个转换时钟为多少个系统时钟(1～16)。ADCO有4种转换启动方式，由ADCOCN中的ADC0启动转换方式位(ADOCMl，AD0CM0)的状态决定。转换触发源有：
①向ADCOCN的AD0BUSY位写1；
②定时器3溢出(即定时的连续转换)；
③外部A／D转换器转换启动信号CNVSTR0的上升沿；
④定时器2溢出(即定时的连续转换)。