C8051F060單片機的數(shù)字傳感器系統(tǒng)硬件如何設計？

隨著科學技術的發(fā)展，智能控制技術開始在電子測試領域廣泛地應用。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)絡系統(tǒng)，各種傳感器設備分別作為其中的一個網(wǎng)絡節(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)總體方案設計

根據(jù)數(shù)字傳感器系統(tǒng)的任務和功能，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)。

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、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)硬件設計

控制中心模塊設計

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，本設計采用外部晶體振蕩驅(qū)動電路驅(qū)動外部晶振。

圖3 控制中心模塊電路圖

壓力采集模塊設計

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，本設計選用開關電容濾波器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

溫濕度采集模塊設計

溫濕度采集模塊結(jié)構組成如圖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。

圖5 溫濕度采集模塊結(jié)構組成圖

本設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，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)絡的可靠性，CAN總線模塊采用網(wǎng)絡冗余方法對總線及其驅(qū)動進行可控的總線冗余設計，CAN總線模塊冗余設計原理如圖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)預定的應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，則及時返回應答信息給主節(jié)點，若超過了預定時間主節(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總線模塊冗余設計原理圖

電源模塊設計

根據(jù)現(xiàn)場情況，CAN網(wǎng)絡提供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系列的一款開關電源芯片，具有5.5V~36V的輸入電壓范圍；開關轉(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。

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電源芯片，能夠?qū)?V電壓隔離為另外一個不共地的5V；開關轉(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、傳感器技術及現(xiàn)場網(wǎng)絡技術的飛速發(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)總體設計方案，然后詳細闡述了系統(tǒng)的硬件設計，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。