基于C8051F060單片機(jī)的數(shù)字傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能控制技術(shù)開始在電子測試領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。在現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)中，人們往往將各種傳感器掛接在現(xiàn)場總線上，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各種傳感器設(shè)備分別作為其中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與控制中心之間以及節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸。通常，人們選用CAN總線將大部分傳感器連接起來，因此，傳感器也需相應(yīng)地智能化并統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口。本文基于C8051F060單片機(jī)設(shè)計(jì)一款帶有CAN通信接口的溫濕壓數(shù)字傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對壓力傳感器輸出的壓力模擬信號進(jìn)行信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換；能處理并傳輸溫度、濕度和壓力數(shù)據(jù)，搭建CAN總線傳感器網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和通信。

數(shù)字傳感器系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)字傳感器系統(tǒng)的任務(wù)和功能，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。首先傳感器采集壓力信號，并對壓力信號進(jìn)行跟隨濾波處理，然后采集溫濕度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的編幀處理及數(shù)據(jù)的通信。經(jīng)過傳感器采集和預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)按照指定的CAN應(yīng)用協(xié)議，通過CAN數(shù)據(jù)通信接口傳輸?shù)紺AN總線，數(shù)據(jù)由相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)采集并存儲，或者直接傳送給上位機(jī)，通過上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)字傳感器系統(tǒng)工作原理圖

數(shù)字傳感器系統(tǒng)主要由控制中心模塊、壓力采集模塊、溫濕度采集模塊、CAN總線模塊及電源模塊等部分組成?？刂浦行哪K選用C8051F060單片機(jī)；為了實(shí)現(xiàn)溫濕壓數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集模塊選用SHT15、MPX4200A、TLV2402和MAX291等器件；為了完成組建通信網(wǎng)絡(luò)、傳輸數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)總線冗余，CAN總線模塊選用高速光耦、CD4052、TJA1050等器件。

數(shù)字傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制中心模塊設(shè)計(jì)

控制中心模塊選用C8051F060單片機(jī)，它是美國Cygnal公司推出的完全集成混合信號片上系統(tǒng)型MCU。C8051F060單片機(jī)采用與8051兼容的專利內(nèi)核CIP-51，速度高達(dá)25MIPS，并具有59個(gè)數(shù)字I/O引腳、5個(gè)16位通用定時(shí)器、6個(gè)帶有捕捉/比較模塊的可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列。同時(shí)，片內(nèi)還集成了兩個(gè)16位、1Msps的ADC和2個(gè)12位DAC、3個(gè)電壓比較器、看門狗定時(shí)器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。該芯片上集成有64KB的FLASH和4352B內(nèi)部RAM，以及硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和2個(gè)UART串行接口。最重要是，C8051F060單片機(jī)還集成了CAN總線控制器，這使得采用CAN總線開發(fā)C8051F060單片機(jī)具有抗干擾性強(qiáng)、開發(fā)費(fèi)用低廉、可適用于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用等特點(diǎn)。

控制中心模塊的工作原理如圖2所示，C8051F060單片機(jī)作為控制中心模塊的核心器件，主要負(fù)責(zé)控制SHT15采集溫濕度數(shù)據(jù)以及采集和轉(zhuǎn)換經(jīng)過跟隨濾波之后的壓力數(shù)據(jù)，然后對這些信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（濾波處理、數(shù)據(jù)編幀、數(shù)據(jù)緩存等）；同時(shí)，由于C8051F060單片機(jī)自身具有CAN通信接口，因此它還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

依據(jù)圖2設(shè)計(jì)的控制中心模塊具體電路如圖3所示。C8051F060單片機(jī)正常運(yùn)行之前，必須初始化應(yīng)用端口和時(shí)鐘，C8051F060單片機(jī)的端口引腳都能承受3V~5V電壓值，而且P0~P3管腳的模式狀態(tài)都是可以根據(jù)需求配置的；為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘，本設(shè)計(jì)采用外部晶體振蕩驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)外部晶振。

圖2 控制中心模塊工作原理圖

圖3 控制中心模塊電路圖

壓力采集模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)字傳感器系統(tǒng)的要求，壓力采集模塊主要由模擬傳感器、電壓跟隨電路及低通濾波電路等組成。

模擬傳感器選用MPX4200A，用于獲取被檢測信息以及負(fù)責(zé)模數(shù)轉(zhuǎn)換。為了保證所采集信號的精度，壓力信號需經(jīng)過跟隨濾波模塊的處理。濾波電路用于對傳感器檢測到的壓力信號進(jìn)行的跟隨和模擬濾波處理。模擬濾波能大大提高傳感器采集精度，本設(shè)計(jì)選用開關(guān)電容濾波器MAX291作為對傳感器壓力信號進(jìn)行模擬濾波的核心元件。MAX291是MAXIM公司生產(chǎn)的八階巴特沃斯型開關(guān)電容式有源低通濾波器，它的3dB截止頻率可以在0.1kHz~25kHz之間選擇。開關(guān)電容濾波器需要由一個(gè)時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)電路工作，該時(shí)鐘的頻率應(yīng)為3dB截止頻率的100倍，可以采用外時(shí)鐘或內(nèi)時(shí)鐘2種方式。壓力采集模塊的跟隨濾波原理如圖4所示，模塊主要包含MPX4200A組成的壓力采集敏感頭、TLV2402組成的電壓信號跟隨電路和MAX291組成的低通濾波電路。其工作過程是：MPX4200A將采集到的壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號之后傳輸給TLV2402，TLV2402完成信號跟隨之后將信號傳送給MAX291進(jìn)行模擬濾波處理，之后在C8051F060單片機(jī)的控制下，由單片機(jī)內(nèi)嵌的ADC1（16位A/D轉(zhuǎn)換模塊）采集轉(zhuǎn)換壓力信號，最后將采集轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)編幀處理后通過CAN通信模塊傳遞給數(shù)據(jù)記錄器。本設(shè)計(jì)之所以選用C8051F060單片機(jī)內(nèi)嵌的ADC1采集轉(zhuǎn)換壓力信號，是為了滿足系統(tǒng)微小化設(shè)計(jì)的需求，C8051F060單片機(jī)內(nèi)部嵌有ADC1和ADC0兩個(gè)16位AD轉(zhuǎn)換模塊，它們的轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)1Msps。

圖4 壓力采集模塊跟隨濾波原理圖

溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)

溫濕度采集模塊結(jié)構(gòu)組成如圖5所示，在該模塊的電路中，C8051F060單片機(jī)I/O口與溫濕度傳感器SHT15直接連接，C8051F060單片機(jī)引腳P2.1端口與SHT15的時(shí)鐘管腳SCK相連以作為時(shí)鐘線，C8051F060單片機(jī)引腳P2.0端口與SHT15的數(shù)據(jù)管腳DATA相連以作為數(shù)據(jù)線，這種連接方式具有接口方便、控制簡單、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)。溫濕度采集模塊工作原理是：C8051F060單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線向SHT15發(fā)送控制命令，并且接收SHT15采集、轉(zhuǎn)換的溫濕度數(shù)據(jù)，C8051F060單片機(jī)接收到溫濕度數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單編幀等快速處理，最后通過CAN總線接口傳輸給數(shù)據(jù)記錄器（上位機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)監(jiān)測。