C8051F060單片機(jī)的數(shù)字傳感器系統(tǒng)硬件如何設(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(cè)試領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。在現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，人們往往將各種傳感器掛接在現(xiàn)場(chǎng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(lái)，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(duì)壓力傳感器輸出的壓力模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)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(hào)，并對(duì)壓力信號(hào)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(guò)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(guò)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(chǔ)，或者直接傳送給上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

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。控制中心模塊選用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)

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(chǎng)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(guò)跟隨濾波之后的壓力數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些信號(hào)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(cè)信息以及負(fù)責(zé)模數(shù)轉(zhuǎn)換。為了保證所采集信號(hào)的精度，壓力信號(hào)需經(jīng)過(guò)跟隨濾波模塊的處理。濾波電路用于對(duì)傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)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(duì)傳感器壓力信號(hào)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(lái)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(hào)跟隨電路和MAX291組成的低通濾波電路。

其工作過(guò)程是：MPX4200A將采集到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)之后傳輸給TLV2402，TLV2402完成信號(hào)跟隨之后將信號(hào)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(hào)，最后將采集轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)編幀處理后通過(guò)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(hào)，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(jiǎn)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(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單編幀等快速處理，最后通過(guò)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(cè)。

圖5 溫濕度采集模塊結(jié)構(gòu)組成圖

本設(shè)計(jì)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(diǎn)是：

①將溫濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和I2C總線接口等功能集成到一個(gè)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(yàn)；

③提供溫度補(bǔ)償和濕度測(cè)量值以及高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能；

④測(cè)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(jìn)行測(cè)量。

SHT15的性能參數(shù)如下：

①溫度測(cè)量范圍是-40~+123.8℃；

②濕度測(cè)量范圍是0~100%RH；

③溫度測(cè)量精度是±0.3℃；

④濕度測(cè)量精度是±2.0%RH；

⑤響應(yīng)時(shí)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(dá)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(shí)鐘線，引腳5~8為空管腳。SHT15包含1個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件和1個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件，這兩個(gè)敏感元件分別將溫度和濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)首先由微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入1個(gè)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(hào)。

CAN總線模塊設(shè)計(jì)

CAN總線模塊是數(shù)字傳感器系統(tǒng)中用來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議、完成報(bào)文收發(fā)等功能的元器件的集合，該模塊由C8051F060單片機(jī)、高速光耦HCPL0600以及CAN總線驅(qū)動(dòng)TJA1050等組成。

為了保護(hù)CAN控制器，提高抗干擾能力，總線驅(qū)動(dòng)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(guò)一個(gè)5 的電阻與CAN總線相連，電阻可以使TJA1050免受過(guò)流的沖擊；CANL和CANH與地之間各自都并聯(lián)了一個(gè)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(duì)總線及其驅(qū)動(dòng)進(jìn)行可控的總線冗余設(shè)計(jì)，CAN總線模塊冗余設(shè)計(jì)原理如圖6所示。該模塊CAN通信接口由一個(gè)CAN控制器、兩個(gè)CAN總線驅(qū)動(dòng)和兩對(duì)差分線組成。我們可以通過(guò)控制模擬多路開關(guān)CD4052在兩個(gè)總線之間進(jìn)行切換，A1、A0為CD4052的控制信號(hào)，由節(jié)點(diǎn)的主控制器控制。

當(dāng)A1A0=01時(shí)，X通道選通X3、Y通道選通Y3，此時(shí)總線驅(qū)動(dòng)U4工作，數(shù)據(jù)通過(guò)總線1傳輸；當(dāng)A1A0=10時(shí)，X通道選通X2、Y通道選通Y2，此時(shí)總線驅(qū)動(dòng)U3工作，數(shù)據(jù)通過(guò)總線2傳輸。CAN網(wǎng)絡(luò)正常工作時(shí)，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(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，CAN網(wǎng)絡(luò)會(huì)以固定的頻率發(fā)送檢測(cè)命令，該檢測(cè)命令通常由CAN網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)固定的主節(jié)點(diǎn)來(lái)發(fā)送的，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測(cè)命令后，根據(jù)預(yù)定的應(yīng)答情況判斷是否有節(jié)點(diǎn)損壞以及是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞；其他節(jié)點(diǎn)稱為副節(jié)點(diǎn)，副節(jié)點(diǎn)接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的檢測(cè)命令，若接收到檢測(cè)命令，則及時(shí)返回應(yīng)答信息給主節(jié)點(diǎn)，若超過(guò)了預(yù)定時(shí)間主節(jié)點(diǎn)還未接收到檢測(cè)信息，則由控制器控制切換總線并報(bào)警。

圖6 CAN總線模塊冗余設(shè)計(jì)原理圖

電源模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(dòng)供電，CAN通信電路需要一個(gè)與前面電源不共地的5V電源，在此選用DCR010505來(lái)實(shí)現(xiàn)，定義該隔離出來(lái)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(dá)95%；具有過(guò)流、過(guò)壓和熱過(guò)載保護(hù)功能；能夠提供最大為1A的電流；外圍電路簡(jiǎn)單。

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(dá)95%；具有2.7V~16.5V的輸入電壓范圍；具有過(guò)流、熱過(guò)載保護(hù)和電源反接保護(hù)功能；能夠提供最大為350mA的電流；外圍電路簡(jiǎn)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(gè)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(guò)熱保護(hù)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(yǔ)

隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)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(jī)設(shè)計(jì)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(jì)方案，然后詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，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(jì)。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(diǎn)。