傳感器是高度連接的“物聯(lián)網(wǎng)”（IoT）網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵元素，越來越多地用于“智能城市”和“智能電網(wǎng)”設(shè)計。用于最新傳感器的數(shù)字接口，從ADI公司的溫度傳感器和Measurement Specialties的壓力傳感器到GE Sensing的濕度傳感器，簡化了物聯(lián)網(wǎng)接口，增強了系統(tǒng)的可靠性和功能性。

物聯(lián)網(wǎng)從測量開始。能夠從世界上任何地方的設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)連接到“大數(shù)據(jù)”信息系統(tǒng)，為控制和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。這是全球智能城市和智能電網(wǎng)發(fā)展的核心。

在某些情況下，將傳感器連接到物聯(lián)網(wǎng)相對簡單，而在其他情況下需要更多考慮。 CMOS工藝和封裝技術(shù)的改進允許更高的集成度，因此傳感器可以提供具有微控制器可接受的協(xié)議的穩(wěn)壓數(shù)字輸出。然后將數(shù)據(jù)打包為物聯(lián)網(wǎng)，理想情況下使用IPv6協(xié)議進行直接連接。臨時步驟將本數(shù)據(jù)打包為本地網(wǎng)絡(luò)，然后使用本地網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)包的報頭數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IPv6，以便通過Internet進行更廣泛的訪問。

微控制器的連接可以通過多個方式處理通過現(xiàn)有電力電纜從有線以太網(wǎng)到電力線鏈路的方式。然而，最常見的方法是使用連接到微控制器的無線收發(fā)器來提供回到中央集線器然后到因特網(wǎng)的鏈接。雖然這是迄今為止常見的方法，但物聯(lián)網(wǎng)的重點是更直接地訪問傳感器節(jié)點。這允許傳感器更容易地添加到網(wǎng)絡(luò)，而不是受到集線器設(shè)備的地址空間的限制。不同的架構(gòu)會影響微控制器的選擇。簡單的8位設(shè)備可用于直接鏈接到有線網(wǎng)絡(luò)到集線器，但是為了處理更高級別的協(xié)議（如以太網(wǎng)或IPv6），需要能夠處理協(xié)議棧的32位處理器內(nèi)核。這些越來越普遍，現(xiàn)在增加了通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可用于簡化傳感器節(jié)點的設(shè)計。

然而，傳感器可以有自己的ADC它們針對傳感器數(shù)據(jù)的分辨率進行了優(yōu)化，并有助于最大限度地降低節(jié)點的功耗。然后可以通過串行UART或通用I/O引腳或通過I2C雙線接口將它們連接到微控制器。然后將數(shù)據(jù)直接傳送到控制器中的寄存器，協(xié)議棧可以訪問它。

ADT7320就是一個高精度數(shù)字溫度傳感器，具有寬工業(yè)溫度范圍（-40°C）至+ 150°C），這是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所必需的，因為傳感器可能放置在極端惡劣的環(huán)境中。

該傳感器采用4×4 mm LFCSP封裝，內(nèi)置一個帶隙基準(zhǔn)電壓源，一個溫度傳感器和一個16位ADC，用于監(jiān)測溫度并將其數(shù)字化，分辨率為0.0078°C。 ADC分辨率默認設(shè)置為13位，分辨率為0.0625°C，但用戶可以通過串行接口進行更改。

傳感器輸出由sigma-delta數(shù)字化（Σ-Δ）調(diào)制器，也稱為“電荷平衡”型ADC（圖1）。這種類型的轉(zhuǎn)換器使用時域過采樣和高精度比較器，在極其緊湊的電路中提供16位分辨率。

圖1：ADT7320溫度傳感器使用Σ-Δ調(diào)制器將SPI輸出的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為微控制器。

Σ-Δ調(diào)制器由輸入采樣器，求和網(wǎng)絡(luò)，積分器，比較器和1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）組成。該架構(gòu)通過改變比較器輸出的占空比以響應(yīng)輸入電壓的變化，創(chuàng)建負反饋環(huán)路并最小化積分器輸出。比較器以比輸入采樣頻率高得多的速率對積分器的輸出進行采樣。這種過采樣將量化噪聲擴展到比輸入信號寬得多的頻帶，從而改善了整體噪聲性能并提高了傳感器數(shù)據(jù)的精度。比較器的調(diào)制輸出使用電路技術(shù)進行編碼，通過SPI引腳輸出溫度數(shù)據(jù)。

對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，通常有四種工作模式：正常模式，單次模式，1 SPS模式和關(guān)機模式。這些模式通常適用于任何數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備，是開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的關(guān)鍵設(shè)計元素。

連續(xù)轉(zhuǎn)換

在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式（默認上電模式）下，ADT7320運行自動轉(zhuǎn)換序列。在此自動轉(zhuǎn)換序列期間，轉(zhuǎn)換需要240 ms才能完成，ADT7320將持續(xù)轉(zhuǎn)換。這意味著一旦完成一次溫度轉(zhuǎn)換，就會開始另一次溫度轉(zhuǎn)換。每個溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在溫度值寄存器中，可通過SPI接口獲得，讀取操作提供最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

傳感器的操作有兩個關(guān)鍵引腳。 CT引腳為開漏輸出，當(dāng)溫度超過可編程臨界溫度限值時，該輸出變?yōu)橛行А?INT引腳也是漏極開路輸出，當(dāng)溫度超過可編程限值時，該輸出變?yōu)橛行А?INT和CT引腳可以在比較器或中斷模式下工作。

上電時，第一次轉(zhuǎn)換是快速轉(zhuǎn)換，通常為6 ms。如果溫度超過147°C，則CT引腳置為低電平。如果溫度超過64°C，則INT引腳置為低電平，這種快速轉(zhuǎn)換溫度精度通常在±5°C范圍內(nèi)。器件的轉(zhuǎn)換時鐘由內(nèi)部產(chǎn)生，因此在讀取和寫入串行端口之前不需要外部時鐘。

將測得的溫度值與臨界溫度限值（存儲在16-中）進行比較位TCRIT設(shè)定值寄存器），高溫限制（存儲在16位THIGH設(shè)定值寄存器中）和低溫限制（存儲在16位TLOW設(shè)定點寄存器中）。如果測量值超過高溫或低溫限制，則INT引腳被激活;如果超過TCRIT限制，則CT引腳被激活。 INT和CT引腳的極性通過配置寄存器進行編程，配置寄存器也可用于編程中斷模式。

當(dāng)超出溫度閾值時，可用于為IoT監(jiān)控應(yīng)用程序提供標(biāo)志。 。連續(xù)模式以低占空比運行以降低功耗，當(dāng)超過閾值（太熱或太冷）時，可以使用溫度數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到監(jiān)控應(yīng)用程序。

單次模式

雖然連續(xù)轉(zhuǎn)換是默認模式，但當(dāng)遠程監(jiān)控應(yīng)用程序查詢節(jié)點時，IoT應(yīng)用程序可能更適合使用一次性讀取。

當(dāng)啟用單次觸發(fā)模式時，ADT7320立即完成轉(zhuǎn)換，然后進入關(guān)斷模式以節(jié)省功耗。通過將配置寄存器（寄存器地址0x01）的位[6：5]設(shè)置為01來啟用此功能。

寫入操作模式位后，等待至少240 ms再讀回溫度來自溫度值寄存器。此延遲可確保ADT7320有足夠的時間上電并完成轉(zhuǎn)換。要獲得更新的溫度轉(zhuǎn)換，請將配置寄存器的位[6：5]復(fù)位為01。

微控制器接口

所有數(shù)據(jù)都通過四線SPI接口鏈接到微控制器（圖2）。該接口具有用于向器件寫入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸入引腳（DIN），用于從器件讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸出引腳（DOUT），以及用于為數(shù)據(jù)輸入和輸出提供時鐘的串行數(shù)據(jù)時鐘引腳（SCLK）。芯片選擇引腳（CS）啟用或禁用串行接口。 CS是正確操作接口所必需的。

數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿輸出，數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿輸入器件。總線上的所有數(shù)據(jù)事務(wù)都從主機將CS從高電平變?yōu)榈碗娖讲l(fā)出命令字節(jié)以指示事務(wù)是讀還是寫，并提供寄存器的地址進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2：從ADT7320數(shù)字溫度傳感器到物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點中的微控制器的接口。

位C7，位C2，位必須將C1和命令字節(jié)的位C0都設(shè)置為0才能成功開始總線事務(wù)，因為如果將1寫入任何這些位，接口將無法正常工作。

位C6是讀/寫位，其中1表示讀，0表示寫。位[C5：C3]包含目標(biāo)寄存器地址，每個總線事務(wù)可以讀取或?qū)懭胍粋€寄存器。

濕度傳感

數(shù)字采用相同的方法濕度傳感器，如Measurement Specialties的HTU21D。它嵌入在可回流焊接的雙扁平無引線（DFN）封裝中，封裝尺寸為3 x 3 mm，高度為1 mm，提供數(shù)字I2C格式的校準(zhǔn)線性化信號。

HTU21D傳感器是專用的低功耗濕度和溫度即插即用傳感器，適用于OEM應(yīng)用，需要通過與微處理器直接接口的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點進行可靠和精確的測量。

用于濕度傳感，校準(zhǔn)至關(guān)重要，每個傳感器都經(jīng)過單獨校準(zhǔn)和測試，批次標(biāo)識存儲在芯片上，以便可以通過命令讀出。分辨率可通過命令改變（對于RH/T為8/12位至12/14位），可檢測到低電量，并包含校驗和以提高通信可靠性。

串行時鐘輸入（SCK）用于同步微控制器和HTU21D傳感器之間的通信（參見圖3）。由于接口由全靜態(tài)邏輯組成，因此沒有最小SCK頻率。

圖3：在IoT傳感器節(jié)點中通過I2C將HTU21D濕度傳感器連接到微控制器。

DATA引腳用于傳輸數(shù)據(jù)進出設(shè)備。為了向HTU21D傳感器發(fā)送命令，DATA在SCK的上升沿有效，并且在SCK為高電平時必須保持穩(wěn)定。在SCK的下降沿之后，可以改變DATA值。為了安全通信，DATA在SCK的上升沿和下降沿之后對tSU和tHD有效。為了從HTU21D傳感器讀取數(shù)據(jù)，DATA在SCK變?yōu)榈碗娖胶髮VD有效，并在SCK的下一個下降沿保持有效。

SCK上的外部上拉電阻（例如10kΩ）是只需將開路集電極或開漏技術(shù)微控制器拉高信號。在大多數(shù)情況下，上拉電阻內(nèi)部包含在微控制器的I/O電路中。上電后，器件需要最多15 ms而SCK為高電平才能達到空閑狀態(tài)（休眠模式），以便準(zhǔn)備接受來自控制器的命令。在此之前不應(yīng)發(fā)送任何命令。建議在開始時進行軟復(fù)位，在SCK為高電平時降低DATA線，然后降低SCK。要停止傳輸，必須發(fā)出停止位。它包括將DATA線拉高而SCK為高電平，然后將SCK拉高。

當(dāng)HTU21D傳感器通過與標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議通信運行時，可以使用8位CRC來檢測傳輸錯誤對于傳感器傳輸?shù)乃凶x數(shù)據(jù)。相對濕度的默認分辨率設(shè)置為12位，溫度讀數(shù)的默認分辨率設(shè)置為14位。測量數(shù)據(jù)以雙字節(jié)封裝傳輸，采用8位長度的幀，其中最高有效位（MSB）首先被傳輸（左對齊）。每個字節(jié)后跟一個應(yīng)答位。在計算物理值之前，必須將兩個狀態(tài)位（LSB的最后一位）設(shè)置為“0”。

壓力傳感

另一個帶I2C的傳感器是GE Sensing的NPA范圍差壓傳感器。 NPA系列采用14引腳表面貼裝SOIC封裝，提供壓力表，絕對壓力或差壓范圍，帶有mV，放大模擬或數(shù)字輸出。

NPA-700系列提供數(shù)字輸出使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議輸出數(shù)據(jù)。支持高達400 kHz的比特率，與標(biāo)準(zhǔn)模式（Sm）和快速模式（Fm）標(biāo)準(zhǔn)兼容。設(shè)備的從地址為0x28作為標(biāo)準(zhǔn)配置。為了從NPA傳感器讀取數(shù)據(jù)，I2C主器件發(fā)送8位，7位從器件地址（標(biāo)準(zhǔn)器件為0x28），第8位= 1，指定讀取請求。然后NPA傳感器發(fā)送確認（ACK）以指示成功。

NPA有三個I2C讀命令：

Read_DF2：壓力（2個字節(jié)）

< li> Read_DF3：壓力（2字節(jié)）+溫度（1字節(jié)）

Read_DF4：壓力（2字節(jié)）+溫度（2字節(jié)）

數(shù)據(jù)的數(shù)量NPA傳感器返回的字節(jié)由I2C主設(shè)備發(fā)送NACK和停止條件確定。傳感器首先發(fā)送壓力數(shù)據(jù)的高字節(jié)，然后是低字節(jié)。數(shù)據(jù)分辨率為14位，因此高字節(jié)的高兩位始終為零填充。數(shù)據(jù)包中的字節(jié)之間有一個半停止的位時間。這意味著，對于半位寬的時間，信號電平很高。組合高和低數(shù)據(jù)字節(jié)提供對應(yīng)于壓力讀數(shù)的14位數(shù)字。

圖4：顯示數(shù)字接口的NPA700壓力傳感器。

最好將數(shù)字信號連接到微控制器上能夠在下降沿產(chǎn)生中斷的引腳。當(dāng)起始位的下降沿發(fā)生時，它會使微控制器跳轉(zhuǎn)到其ISR（中斷服務(wù)程序）。 ISR進入計數(shù)循環(huán)，增加存儲器位置（Tstrobe），直到它看到數(shù)字信號上升。當(dāng)獲得Tstrobe時，ISR可以簡單地等待接下來的9個下降沿（8個數(shù)據(jù)，1個奇偶校驗）。在每個下降沿之后，它將等待Tstrobe到期，然后對下一位進行采樣。數(shù)字線路由強大的CMOS推/拉驅(qū)動器驅(qū)動;當(dāng)數(shù)字信號在嘈雜的環(huán)境中驅(qū)動長（> 2 m）互連到微控制器時，奇偶校驗位用于錯誤檢查。對于沒有噪聲干擾的環(huán)境中的系統(tǒng)，用戶可以選擇讓微控制器忽略奇偶校驗位。

模擬接口

許多傳感器沒有數(shù)字接口，通常由于傳感器技術(shù)與通用CMOS處理不兼容。對于霍爾效應(yīng)傳感器等設(shè)備，可以通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和放大器連接到物聯(lián)網(wǎng)。它們現(xiàn)在組合在一個芯片中，輸出簡單，可連接到無線連接的微控制器。

ADI公司的AD7176-2具有快速建立，高精度，高分辨率的特點，多路Σ-ΔADC，用于傳感器等低帶寬輸入信號。其輸入可通過集成交叉點多路復(fù)用器配置為兩個全差分或四個偽差分輸入。集成的精密2.5 V低漂移（2 ppm/°C）帶隙內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源（帶輸出基準(zhǔn)電壓緩沖器）增加了功能并減少了外部元件數(shù)量。

最大通道-scan數(shù)據(jù)速率為50 kSPS（建立時間為20μs），從而產(chǎn)生17個無噪聲位的完全穩(wěn)定數(shù)據(jù)。用戶可選擇的輸出數(shù)據(jù)速率范圍為5 SPS至250 kSPS，分辨率在較低速度下會增加。

AD7176-2提供三個關(guān)鍵數(shù)字濾波器。快速建立濾波器可最大化信道掃描速率。 Sinc3濾波器可最大限度地提高單通道，低速應(yīng)用的分辨率。對于50 Hz和60 Hz環(huán)境，AD7176-2專用濾波器可最大限度地縮短建立時間或最大限度地抑制線路頻率。這些增強型濾波器可同時實現(xiàn)50 Hz和60 Hz抑制，具有27 SPS輸出數(shù)據(jù)速率（建立時間為36 ms）。

AD7176-2（圖5）具有三個或四個 - 導(dǎo)線SPI接口，工作在SPI模式3，可在CS低電平下工作。在此模式下，SCLK空閑為高電平，SCLK的下降沿為驅(qū)動邊沿，SCLK的上升沿為采樣邊沿。這意味著數(shù)據(jù)在下降沿/驅(qū)動沿上輸出，數(shù)據(jù)在上升/采樣邊沿輸入。

圖5：AD7176 -2用于將模擬傳感器連接到IoT傳感器節(jié)點中的微控制器。

8位只寫通信寄存器控制對ADC完整寄存器映射的訪問。在上電或復(fù)位后，數(shù)字接口默認為預(yù)期寫入通信寄存器的狀態(tài)，因此所有通信都通過寫入通信寄存器開始。

寫入通信寄存器的數(shù)據(jù)決定了訪問哪個寄存器以及下一個操作是讀還是寫。寄存器地址位（RA [5：0]）決定讀或?qū)懖僮魉m用的特定寄存器。

當(dāng)對所選寄存器的讀或?qū)懖僮魍瓿蓵r，接口返回其默認狀態(tài)，它期望對通信寄存器進行寫操作。這可用于從傳感器捕獲模擬數(shù)據(jù)，并通過SPI接口將其傳送到微控制器，以便遠程訪問數(shù)據(jù)。這使得更廣泛的傳感器成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分。

結(jié)論

數(shù)字處理技術(shù)和封裝的改進使傳感器能夠?qū)?shù)字接口集成到同一物體中硅或包含在同一包裝中。這允許簡化接口，并為物聯(lián)網(wǎng)開放傳感器技術(shù)。直接連接到微控制器和網(wǎng)絡(luò)接口，允許從因特網(wǎng)上的任何地方進行訪問，采用不同的方法，需要更多的編程和設(shè)備的寄存器結(jié)構(gòu)以及SPI和I2C等協(xié)議的知識，這是過去所必需的。使用獨立ADC可以允許不具有相同數(shù)字接口的模擬設(shè)備也包含在物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的開發(fā)中。