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

隨著科學技術(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網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)節(jié)點與控制中心之間以及節(jié)點與節(jié)點之間的信息傳輸。通常，人們選用CAN總線將大部分傳感器連接起來，因此，傳感器也需相應地智能化并統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口。本文基于C8051F060單片機設(shè)計一款帶有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

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，并對壓力信號進行跟隨濾波處理，然后采集溫濕度數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的編幀處理及數(shù)據(jù)的通信。經(jīng)過傳感器采集和預處理之后的數(shù)據(jù)按照指定的CAN應用協(xié)議，通過CAN數(shù)據(jù)通信接口傳輸?shù)紺AN總線，數(shù)據(jù)由相應的節(jié)點采集并存儲，或者直接傳送給上位機，通過上位機軟件實時監(jiān)測各個節(jié)點的數(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；為了實現(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

控制中心模塊設(shè)計

控制中心模塊選用C8051F060單片機，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單片機采用與8051兼容的專利內(nèi)核CIP-51，速度高達25MIPS，并具有59個數(shù)字I/O引腳、5個16位通用定時器、6個帶有捕捉/比較模塊的可編程定時器/計數(shù)器陣列。同時，片內(nèi)還集成了兩個16位、1Msps的ADC和2個12位DAC、3個電壓比較器、看門狗定時器，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，以及硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和2個UART串行接口。最重要是，C8051F060單片機還集成了CAN總線控制器，這使得采用CAN總線開發(fā)C8051F060單片機具有抗干擾性強、開發(fā)費用低廉、可適用于工業(yè)現(xiàn)場應用等特點。

控制中心模塊的工作原理如圖2所示，C8051F060單片機作為控制中心模塊的核心器件，主要負責控制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，由于C8051F060單片機自身具有CAN通信接口，因此它還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

依據(jù)圖2設(shè)計的控制中心模塊具體電路如圖3所示。C8051F060單片機正常運行之前，必須初始化應用端口和時鐘，C8051F060單片機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；為了實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘，本設(shè)計采用外部晶體振蕩驅(qū)動電路驅(qū)動外部晶振。

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

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責模數(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)計選用開關(guān)電容濾波器MAX291作為對傳感器壓力信號進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時鐘來驅(qū)動電路工作，該時鐘的頻率應為3dB截止頻率的100倍，可以采用外時鐘或內(nèi)時鐘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進行模擬濾波處理，之后在C8051F060單片機的控制下，由單片機內(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)計之所以選用C8051F060單片機內(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)計的需求，C8051F060單片機內(nèi)部嵌有ADC1和ADC0兩個16位AD轉(zhuǎn)換模塊，它們的轉(zhuǎn)換速度最高可達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

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I/O口與溫濕度傳感器SHT15直接連接，C8051F060單片機引腳P2.1端口與SHT15的時鐘管腳SCK相連以作為時鐘線，C8051F060單片機引腳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。溫濕度采集模塊工作原理是：C8051F060單片機通過數(shù)據(jù)線和時鐘線向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單片機接收到溫濕度數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進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）進行數(shù)據(jù)處理與實時監(jiān)測。