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

圖5 溫濕度采集模塊結(jié)構(gòu)組成圖

本設(shè)計選用溫濕度傳感器SHT15采集溫濕度數(shù)據(jù)。SHT15是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片，其主要特點是：①將溫濕度感測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和I2C總線接口等功能集成到一個芯片上；②提供兩線數(shù)字串行接口SCK和DATA，并支持CRC傳輸校驗；③提供溫度補償和濕度測量值以及高質(zhì)量的露點計算功能；④測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器；⑤由于采用了CMOSensTM技術(shù)，SHT15可浸入水中進行測量。SHT15的性能參數(shù)如下：①溫度測量范圍是-40~+123.8℃；②濕度測量范圍是0~100%RH；③溫度測量精度是±0.3℃；④濕度測量精度是±2.0%RH；⑤響應(yīng)時間是8s。數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15是8引腳SMD表面貼片封裝形式，其引腳1接地，引腳4接電源，工作電壓為2.4~5.5VDC，為了達到SHT15的最高精確度，供電電壓為3.3V適宜；引腳2為數(shù)據(jù)線，引腳3為時鐘線，引腳5~8為空管腳。SHT15包含1個用能隙材料制成的溫度敏感元件和1個電容性聚合體濕度敏感元件，這兩個敏感元件分別將溫度和濕度轉(zhuǎn)換成電信號，電信號首先由微弱信號放大器進行放大，然后進入1個14位的A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)由二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。

CAN總線模塊設(shè)計

CAN總線模塊是數(shù)字傳感器系統(tǒng)中用來實現(xiàn)CAN總線協(xié)議、完成報文收發(fā)等功能的元器件的集合，該模塊由C8051F060單片機、高速光耦HCPL0600以及CAN總線驅(qū)動TJA1050等組成。為了保護CAN控制器，提高抗干擾能力，總線驅(qū)動與CAN總線的接口部分采用一定的安全和抗干擾措施：TJA1050的CANL和CANH引腳各自通過一個5 的電阻與CAN總線相連，電阻可以使TJA1050免受過流的沖擊；CANL和CANH與地之間各自都并聯(lián)了一個30pF的小電容，能夠盡量濾除掉總線上的高頻干擾，以及提高總線的防電磁輻射的能力。

為了保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，CAN總線模塊采用網(wǎng)絡(luò)冗余方法對總線及其驅(qū)動進行可控的總線冗余設(shè)計，CAN總線模塊冗余設(shè)計原理如圖6所示。該模塊CAN通信接口由一個CAN控制器、兩個CAN總線驅(qū)動和兩對差分線組成。我們可以通過控制模擬多路開關(guān)CD4052在兩個總線之間進行切換，A1、A0為CD4052的控制信號，由節(jié)點的主控制器控制。當(dāng)A1A0=01時，X通道選通X3、Y通道選通Y3，此時總線驅(qū)動U4工作，數(shù)據(jù)通過總線1傳輸；當(dāng)A1A0=10時，X通道選通X2、Y通道選通Y2，此時總線驅(qū)動U3工作，數(shù)據(jù)通過總線2傳輸。CAN網(wǎng)絡(luò)正常工作時，兩條總線互為備用（一條總線工作，另外一條處于備用狀態(tài)）。為了檢測各個節(jié)點的工作狀態(tài)，CAN網(wǎng)絡(luò)會以固定的頻率發(fā)送檢測命令，該檢測命令通常由CAN網(wǎng)絡(luò)上的一個固定的主節(jié)點來發(fā)送的，主節(jié)點發(fā)送檢測命令后，根據(jù)預(yù)定的應(yīng)答情況判斷是否有節(jié)點損壞以及是哪個節(jié)點損壞；其他節(jié)點稱為副節(jié)點，副節(jié)點接收主節(jié)點發(fā)送的檢測命令，若接收到檢測命令，則及時返回應(yīng)答信息給主節(jié)點，若超過了預(yù)定時間主節(jié)點還未接收到檢測信息，則由控制器控制切換總線并報警。

圖6 CAN總線模塊冗余設(shè)計原理圖

電源模塊設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場情況，CAN網(wǎng)絡(luò)提供24V電壓給傳感器，而傳感器需要5V或3.3V的電源供電，因此，需要電源模塊將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V和3.3V。本設(shè)計選用TPS5410將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V，選用MAX1658將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V；另外，為了給光耦和CAN驅(qū)動供電，CAN通信電路需要一個與前面電源不共地的5V電源，在此選用DCR010505來實現(xiàn)，定義該隔離出來的5V為W5V，它的地為W5VGND。

TPS5410電壓轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。TPS5410是TI公司SWIFT系列的一款開關(guān)電源芯片，具有5.5V~36V的輸入電壓范圍；開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率為500KHz；轉(zhuǎn)換效率高達95%；具有過流、過壓和熱過載保護功能；能夠提供最大為1A的電流；外圍電路簡單。

圖7 TPS5410電壓轉(zhuǎn)換電路圖

MAX1658電壓轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。MAX1658是MAXIM公司的一款5V轉(zhuǎn)3.3V的開關(guān)電源芯片，轉(zhuǎn)換效率高達95%；具有2.7V~16.5V的輸入電壓范圍；具有過流、熱過載保護和電源反接保護功能；能夠提供最大為350mA的電流；外圍電路簡單。

圖8 MAX1658電壓轉(zhuǎn)換電路圖

DCR010505隔離5V電路如圖9所示。DCR010505是TI公司的一款隔離型開關(guān)電源芯片，能夠?qū)?V電壓隔離為另外一個不共地的5V；開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率為400KHz；轉(zhuǎn)換效率為80%；具有1000Vrms的隔離能力和過熱保護能力；提供最大200mA的電流；最大輸入電壓為7V。

圖9 DCR010505隔離5V電路圖

結(jié)束語

隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶有CAN通信接口的數(shù)字化傳感器也得到了迅速的發(fā)展。本文基于C8051F060單片機設(shè)計了一款帶有CAN通信接口的溫濕壓數(shù)字傳感器系統(tǒng)。首先介紹了數(shù)字傳感器系統(tǒng)總體設(shè)計方案，然后詳細闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括控制中心模塊、壓力采集模塊、溫濕度采集模塊、CAN總線模塊以及電源模塊設(shè)計。該數(shù)字傳感器系統(tǒng)性能穩(wěn)定，集成了溫濕度傳感器、壓力傳感器等，帶有CAN通信接口，具有集成化、小型化等特點。