如何正确将传感器连接到物联网上.doc
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1、如何正确将传感器连接到物联网上传感器是高度连接的“物联网”(IoT)网络的关键元素,越来越多地用于“智能城市”和“智能电网”设计。用于最新传感器的数字接口,从ADI公司的温度传感器和Measurement Specialties的压力传感器到GE Sensing的湿度传感器,简化了物联网接口,增强了系统的可靠性和功能性。物联网从测量开始。能够从世界上任何地方的设备获取数据,通过互联网连接到“大数据”信息系统,为控制和优化提供了基础。这是全球智能城市和智能电网发展的核心。在某些情况下,将传感器连接到物联网相对简单,而在其他情况下需要更多考虑。 CMOS工艺和封装技术的改进允许更高的集成度,因此传
2、感器可以提供具有微控制器可接受的协议的稳压数字输出。然后将数据打包为物联网,理想情况下使用IPv6协议进行直接连接。临时步骤将本数据打包为本地网络,然后使用本地网关将数据包的报头数据转换为IPv6,以便通过Internet进行更广泛的访问。微控制器的连接可以通过多个方式处理通过现有电力电缆从有线以太网到电力线链路的方式。然而,最常见的方法是使用连接到微控制器的无线收发器来提供回到中央集线器然后到因特网的链接。虽然这是迄今为止常见的方法,但物联网的重点是更直接地访问传感器节点。这允许传感器更容易地添加到网络,而不是受到集线器设备的地址空间的限制。不同的架构会影响微控制器的选择。简单的8位设备可用
3、于直接链接到有线网络到集线器,但是为了处理更高级别的协议(如以太网或IPv6),需要能够处理协议栈的32位处理器内核。这些越来越普遍,现在增加了通用的模数转换器(ADC),可用于简化传感器节点的设计。然而,传感器可以有自己的ADC它们针对传感器数据的分辨率进行了优化,并有助于最大限度地降低节点的功耗。然后可以通过串行UART或通用I/O引脚或通过IC双线接口将它们连接到微控制器。然后将数据直接传送到控制器中的寄存器,协议栈可以访问它。ADT7320就是一个高精度数字温度传感器,具有宽工业温度范围(-40C)至+ 150C),这是物联网应用所必需的,因为传感器可能放置在极端恶劣的环境中。该传感器
4、采用44 mm LFCSP封装,内置一个带隙基准电压源,一个温度传感器和一个16位ADC,用于监测温度并将其数字化,分辨率为0.0078C。 ADC分辨率默认设置为13位,分辨率为0.0625C,但用户可以通过串行接口进行更改。传感器输出由sigma-delta数字化(-)调制器,也称为“电荷平衡”型ADC(图1)。这种类型的转换器使用时域过采样和高精度比较器,在极其紧凑的电路中提供16位分辨率。图1:ADT7320温度传感器使用-调制器将SPI输出的模拟数据转换为微控制器。-调制器由输入采样器,求和网络,积分器,比较器和1位数模转换器(DAC)组成。该架构通过改变比较器输出的占空比以响应输入
5、电压的变化,创建负反馈环路并最小化积分器输出。比较器以比输入采样频率高得多的速率对积分器的输出进行采样。这种过采样将量化噪声扩展到比输入信号宽得多的频带,从而改善了整体噪声性能并提高了传感器数据的精度。比较器的调制输出使用电路技术进行编码,通过SPI引脚输出温度数据。对于数据转换器,通常有四种工作模式:正常模式,单次模式,1 SPS模式和关机模式。这些模式通常适用于任何数据捕获设备,是开发物联网传感器节点的关键设计元素。连续转换在连续转换模式(默认上电模式)下,ADT7320运行自动转换序列。在此自动转换序列期间,转换需要240 ms才能完成,ADT7320将持续转换。这意味着一旦完成一次温度
6、转换,就会开始另一次温度转换。每个温度转换结果存储在温度值寄存器中,可通过SPI接口获得,读取操作提供最新的转换结果。传感器的操作有两个关键引脚。 CT引脚为开漏输出,当温度超过可编程临界温度限值时,该输出变为有效。 INT引脚也是漏极开路输出,当温度超过可编程限值时,该输出变为有效。 INT和CT引脚可以在比较器或中断模式下工作。上电时,第一次转换是快速转换,通常为6 ms。如果温度超过147C,则CT引脚置为低电平。如果温度超过64C,则INT引脚置为低电平,这种快速转换温度精度通常在5C范围内。器件的转换时钟由内部产生,因此在读取和写入串行端口之前不需要外部时钟。将测得的温度值与临界温度
7、限值(存储在16-中)进行比较位TCRIT设定值寄存器),高温限制(存储在16位THIGH设定值寄存器中)和低温限制(存储在16位TLOW设定点寄存器中)。如果测量值超过高温或低温限制,则INT引脚被激活;如果超过TCRIT限制,则CT引脚被激活。 INT和CT引脚的极性通过配置寄存器进行编程,配置寄存器也可用于编程中断模式。当超出温度阈值时,可用于为IoT监控应用程序提供标志。 。连续模式以低占空比运行以降低功耗,当超过阈值(太热或太冷)时,可以使用温度数据将数据包发送到监控应用程序。单次模式虽然连续转换是默认模式,但当远程监控应用程序查询节点时,IoT应用程序可能更适合使用一次性读取。当启
8、用单次触发模式时,ADT7320立即完成转换,然后进入关断模式以节省功耗。通过将配置寄存器(寄存器地址0x01)的位6:5设置为01来启用此功能。写入操作模式位后,等待至少240 ms再读回温度来自温度值寄存器。此延迟可确保ADT7320有足够的时间上电并完成转换。要获得更新的温度转换,请将配置寄存器的位6:5复位为01。微控制器接口所有数据都通过四线SPI接口链接到微控制器(图2)。该接口具有用于向器件写入数据的数据输入引脚(DIN),用于从器件读取数据的数据输出引脚(DOUT),以及用于为数据输入和输出提供时钟的串行数据时钟引脚(SCLK)。芯片选择引脚(CS)启用或禁用串行接口。 CS是
9、正确操作接口所必需的。数据在SCLK的下降沿输出,数据在SCLK的上升沿输入器件。总线上的所有数据事务都从主机将CS从高电平变为低电平并发出命令字节以指示事务是读还是写,并提供寄存器的地址进行数据传输。图2:从ADT7320数字温度传感器到物联网传感器节点中的微控制器的接口。位C7,位C2,位必须将C1和命令字节的位C0都设置为0才能成功开始总线事务,因为如果将1写入任何这些位,接口将无法正常工作。位C6是读/写位,其中1表示读,0表示写。位C5:C3包含目标寄存器地址,每个总线事务可以读取或写入一个寄存器。湿度传感数字采用相同的方法湿度传感器,如Measurement Specialties
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