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(yīng)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(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(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。控制中心模塊選用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(dá)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(yīng)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(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，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(yīng)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(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時鐘來驅(qū)動電路工作，該時鐘的頻率應(yīng)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(jìn)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(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

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(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）進(jìn)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(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(jìn)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(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(jìn)行放大，然后進(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(dá)95%；具有過流、過壓和熱過載保護(hù)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(dá)95%；具有2.7V~16.5V的輸入電壓范圍；具有過流、熱過載保護(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(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

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(xì)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。