傳感器是高度連接的“物聯網”（IoT）網絡的關鍵元素，越來越多地用于“智能城市”和“智能電網”設計。用于最新傳感器的數字接口，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，簡化了物聯網接口，增強了系統的可靠性和功能性。

物聯網從測量開始。能夠從世界上任何地方的設備獲取數據，通過互聯網連接到“大數據”信息系統，為控制和優化提供了基礎。這是全球智能城市和智能電網發展的核心。

在某些情況下，將傳感器連接到物聯網相對簡單，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議的穩壓數字輸出。然后將數據打包為物聯網，理想情況下使用IPv6協議進行直接連接。臨時步驟將本數據打包為本地網絡，然后使用本地網關將數據包的報頭數據轉換為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有電力電纜從有線以太網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器來提供回到中央集線器然后到因特網的鏈接。雖然這是迄今為止常見的方法，但物聯網的重點是更直接地訪問傳感器節點。這允許傳感器更容易地添加到網絡，而不是受到集線器設備的地址空間的限制。不同的架構會影響微控制器的選擇。簡單的8位設備可用于直接鏈接到有線網絡到集線器，但是為了處理更高級別的協議（如以太網或IPv6），需要能夠處理協議棧的32位處理器內核。這些越來越普遍，現在增加了通用的模數轉換器（ADC），可用于簡化傳感器節點的設計。

然而，傳感器可以有自己的ADC它們針對傳感器數據的分辨率進行了優化，并有助于最大限度地降低節點的功耗。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。然后將數據直接傳送到控制器中的寄存器，協議?？梢栽L問它。

ADT7320就是一個高精度數字溫度傳感器，具有寬工業溫度范圍（-40°C）至+ 150°C），這是物聯網應用所必需的，因為傳感器可能放置在極端惡劣的環境中。

該傳感器采用4×4 mm LFCSP封裝，內置一個帶隙基準電壓源，一個溫度傳感器和一個16位ADC，用于監測溫度并將其數字化，分辨率為0.0078°C。 ADC分辨率默認設置為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數字化（Σ-Δ）調制器，也稱為“電荷平衡”型ADC（圖1）。這種類型的轉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調制器將SPI輸出的模擬數據轉換為微控制器。

Σ-Δ調制器由輸入采樣器，求和網絡，積分器，比較器和1位數模轉換器（DAC）組成。該架構通過改變比較器輸出的占空比以響應輸入電壓的變化，創建負反饋環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據的精度。比較器的調制輸出使用電路技術進行編碼，通過SPI引腳輸出溫度數據。

對于數據轉換器，通常有四種工作模式：正常模式，單次模式，1 SPS模式和關機模式。這些模式通常適用于任何數據捕獲設備，是開發物聯網傳感器節點的關鍵設計元素。

連續轉換

在連續轉換模式（默認上電模式）下，ADT7320運行自動轉換序列。在此自動轉換序列期間，轉換需要240 ms才能完成，ADT7320將持續轉換。這意味著一旦完成一次溫度轉換，就會開始另一次溫度轉換。每個溫度轉換結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換結果。

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

上電時，第一次轉換是快速轉換，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，這種快速轉換溫度精度通常在±5°C范圍內。器件的轉換時鐘由內部產生，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設定值寄存器），高溫限制（存儲在16位THIGH設定值寄存器中）和低溫限制（存儲在16位TLOW設定點寄存器中）。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。

當超出溫度閾值時，可用于為IoT監控應用程序提供標志。 。連續模式以低占空比運行以降低功耗，當超過閾值（太熱或太冷）時，可以使用溫度數據將數據包發送到監控應用程序。

單次模式

雖然連續轉換是默認模式，但當遠程監控應用程序查詢節點時，IoT應用程序可能更適合使用一次性讀取。

當啟用單次觸發模式時，ADT7320立即完成轉換，然后進入關斷模式以節省功耗。通過將配置寄存器（寄存器地址0x01）的位[6：5]設置為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換。要獲得更新的溫度轉換，請將配置寄存器的位[6：5]復位為01。

微控制器接口

所有數據都通過四線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據的數據輸入引腳（DIN），用于從器件讀取數據的數據輸出引腳（DOUT），以及用于為數據輸入和輸出提供時鐘的串行數據時鐘引腳（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。

數據在SCLK的下降沿輸出，數據在SCLK的上升沿輸入器件?？偩€上的所有數據事務都從主機將CS從高電平變為低電平并發出命令字節以指示事務是讀還是寫，并提供寄存器的地址進行數據傳輸。

圖2：從ADT7320數字溫度傳感器到物聯網傳感器節點中的微控制器的接口。

位C7，位C2，位必須將C1和命令字節的位C0都設置為0才能成功開始總線事務，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]包含目標寄存器地址，每個總線事務可以讀取或寫入一個寄存器。

濕度傳感

數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，提供數字I2C格式的校準線性化信號。

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應用，需要通過與微處理器直接接口的物聯網傳感器節點進行可靠和精確的測量。

用于濕度傳感，校準至關重要，每個傳感器都經過單獨校準和測試，批次標識存儲在芯片上，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）。由于接口由全靜態邏輯組成，因此沒有最小SCK頻率。

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

DATA引腳用于傳輸數據進出設備。為了向HTU21D傳感器發送命令，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傳感器讀取數據，DATA在SCK變為低電平后對tVD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微控制器拉高信號。在大多數情況下，上拉電阻內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（休眠模式），以便準備接受來自控制器的命令。在此之前不應發送任何命令。建議在開始時進行軟復位，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HTU21D傳感器通過與標準I2C協議通信運行時，可以使用8位CRC來檢測傳輸錯誤對于傳感器傳輸的所有讀數據。相對濕度的默認分辨率設置為12位，溫度讀數的默認分辨率設置為14位。測量數據以雙字節封裝傳輸，采用8位長度的幀，其中最高有效位（MSB）首先被傳輸（左對齊）。每個字節后跟一個應答位。在計算物理值之前，必須將兩個狀態位（LSB的最后一位）設置為“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，放大模擬或數字輸出。

NPA-700系列提供數字輸出使用行業標準I2C協議輸出數據。支持高達400 kHz的比特率，與標準模式（Sm）和快速模式（Fm）標準兼容。設備的從地址為0x28作為標準配置。為了從NPA傳感器讀取數據，I2C主器件發送8位，7位從器件地址（標準器件為0x28），第8位= 1，指定讀取請求。然后NPA傳感器發送確認（ACK）以指示成功。

NPA有三個I2C讀命令：

Read_DF2：壓力（2個字節）

< li> Read_DF3：壓力（2字節）+溫度（1字節）

Read_DF4：壓力（2字節）+溫度（2字節）

數據的數量NPA傳感器返回的字節由I2C主設備發送NACK和停止條件確定。傳感器首先發送壓力數據的高字節，然后是低字節。數據分辨率為14位，因此高字節的高兩位始終為零填充。數據包中的字節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。組合高和低數據字節提供對應于壓力讀數的14位數字。

圖4：顯示數字接口的NPA700壓力傳感器。

最好將數字信號連接到微控制器上能夠在下降沿產生中斷的引腳。當起始位的下降沿發生時，它會使微控制器跳轉到其ISR（中斷服務程序）。 ISR進入計數循環，增加存儲器位置（Tstrobe），直到它看到數字信號上升。當獲得Tstrobe時，ISR可以簡單地等待接下來的9個下降沿（8個數據，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。數字線路由強大的CMOS推/拉驅動器驅動;當數字信號在嘈雜的環境中驅動長（> 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境中的系統，用戶可以選擇讓微控制器忽略奇偶校驗位。

模擬接口

許多傳感器沒有數字接口，通常由于傳感器技術與通用CMOS處理不兼容。對于霍爾效應傳感器等設備，可以通過數據轉換器和放大器連接到物聯網。它們現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）帶隙內部基準電壓源（帶輸出基準電壓緩沖器）增加了功能并減少了外部元件數量。

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

AD7176-2提供三個關鍵數字濾波器?？焖俳V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，低速應用的分辨率。對于50 Hz和60 Hz環境，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50 Hz和60 Hz抑制，具有27 SPS輸出數據速率（建立時間為36 ms）。

AD7176-2（圖5）具有三個或四個 - 導線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的下降沿為驅動邊沿，SCLK的上升沿為采樣邊沿。這意味著數據在下降沿/驅動沿上輸出，數據在上升/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。在上電或復位后，數字接口默認為預期寫入通信寄存器的狀態，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據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]）決定讀或寫操作所適用的特定寄存器。

當對所選寄存器的讀或寫操作完成時，接口返回其默認狀態，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據，并通過SPI接口將其傳送到微控制器，以便遠程訪問數據。這使得更廣泛的傳感器成為物聯網的一部分。

結論

數字處理技術和封裝的改進使傳感器能夠將數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，并為物聯網開放傳感器技術。直接連接到微控制器和網絡接口，允許從因特網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備的寄存器結構以及SPI和I2C等協議的知識，這是過去所必需的。使用獨立ADC可以允許不具有相同數字接口的模擬設備也包含在物聯網傳感器節點的開發中。