C8051F060單片機的數字傳感器系統硬件如何設計？

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能控制技術(shù)開(kāi)始在電子測試領(lǐng)域廣泛地應用。在現代工業(yè)測控系統中，人們往往將各種傳感器掛接在現場(chǎng)總線(xiàn)上，組成傳感器網(wǎng)絡(luò )系統，各種傳感器設備分別作為其中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現節點(diǎn)與控制中心之間以及節點(diǎn)與節點(diǎn)之間的信息傳輸。

通常，人們選用CAN總線(xiàn)將大部分傳感器連接起來(lái)，因此，傳感器也需相應地智能化并統一數據接口。本文基于C8051F060單片機設計一款帶有CAN通信接口的溫濕壓數字傳感器系統，該系統能對壓力傳感器輸出的壓力模擬信號進(jìn)行信號調理和模數轉換；能處理并傳輸溫度、濕度和壓力數據，搭建CAN總線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )以實(shí)現數據的采集和通信。

數字傳感器系統總體方案設計

根據數字傳感器系統的任務(wù)和功能，系統工作原理如圖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，然后采集溫濕度數據，并進(jìn)行數據的編幀處理及數據的通信。經(jīng)過(guò)傳感器采集和預處理之后的數據按照指定的CAN應用協(xié)議，通過(guò)CAN數據通信接口傳輸到CAN總線(xiàn)，數據由相應的節點(diǎn)采集并存儲，或者直接傳送給上位機，通過(guò)上位機軟件實(shí)時(shí)監測各個(gè)節點(diǎn)的數據。

數字傳感器系統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(xiàn)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(shí)現溫濕壓數據的采集，數據采集模塊選用SHT15、MPX4200A、TLV2402和MAX291等器件；為了完成組建通信網(wǎng)絡(luò )、傳輸數據和實(shí)現總線(xiàn)冗余，CAN總線(xiàn)模塊選用高速光耦、CD4052、TJA1050等器件。

數字傳感器系統硬件設計

控制中心模塊設計

同時(shí)，片內還集成了兩個(gè)16位、1Msps的ADC和2個(gè)12位DAC、3個(gè)電壓比較器、看門(mén)狗定時(shí)器，VDD監視器和溫度傳感器。該芯片上集成有64KB的FLASH和4352B內部RAM，以及硬件實(shí)現的SPI、SMBus/I2C和2個(gè)UART串行接口。最重要是，C8051F060單片機還集成了CAN總線(xiàn)控制器，這使得采用CAN總線(xiàn)開(kāi)發(fā)C8051F060單片機具有抗干擾性強、開(kāi)發(fā)費用低廉、可適用于工業(yè)現場(chǎng)應用等特點(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采集溫濕度數據以及采集和轉換經(jīng)過(guò)跟隨濾波之后的壓力數據，然后對這些信號進(jìn)行數據處理（濾波處理、數據編幀、數據緩存等）；同時(shí)，由于C8051F060單片機自身具有CAN通信接口，因此它還可以實(shí)現數據傳輸。

依據圖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(shí)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)都是可以根據需求配置的；為了實(shí)現系統時(shí)鐘，本設計采用外部晶體振蕩驅動(dòng)電路驅動(dòng)外部晶振。

圖3 控制中心模塊電路圖

壓力采集模塊設計

根據數字傳感器系統的要求，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轉換。為了保證所采集信號的精度，壓力信號需經(jīng)過(guò)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，本設計選用開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電容濾波器需要由一個(gè)時(shí)鐘來(lái)驅動(dòng)電路工作，該時(shí)鐘的頻率應為3dB截止頻率的100倍，可以采用外時(shí)鐘或內時(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轉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，由單片機內嵌的ADC1（16位A/D轉換模塊）采集轉換壓力信號，最后將采集轉換的數據經(jīng)編幀處理后通過(guò)CAN通信模塊傳遞給數據記錄器。

本設計之所以選用C8051F060單片機內嵌的ADC1采集轉換壓力信號，是為了滿(mǎn)足系統微小化設計的需求，C8051F060單片機內部嵌有ADC1和ADC0兩個(gè)16位AD轉換模塊，它們的轉換速度最高可達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(shí)鐘管腳SCK相連以作為時(shí)鐘線(xiàn)，C8051F060單片機引腳P2.0端口與SHT15的數據管腳DATA相連以作為數據線(xiàn)，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單片機通過(guò)數據線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)向SHT15發(fā)送控制命令，并且接收SHT15采集、轉換的溫濕度數據，C8051F060單片機接收到溫濕度數據后，對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單編幀等快速處理，最后通過(guò)CAN總線(xiàn)接口傳輸給數據記錄器（上位機）進(jìn)行數據處理與實(shí)時(shí)監測。

圖5 溫濕度采集模塊結構組成圖

本設計選用溫濕度傳感器SHT15采集溫濕度數據。SHT15是瑞士Sensirion公司推出的一款數字溫濕度傳感器芯片，其主要特點(diǎn)是：

①將溫濕度感測、信號變換、A/D轉換和I2C總線(xiàn)接口等功能集成到一個(gè)芯片上；

②提供兩線(xiàn)數字串行接口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(diǎn)計算功能；

④測量精度可編程調節，內置A/D轉換器；

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(shí)間是8s。

數字式溫濕度傳感器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為數據線(xiàn)，引腳3為時(shí)鐘線(xiàn)，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(gè)14位的A/D轉換器，最后經(jīng)由二線(xiàn)串行數字接口輸出數字信號。

CAN總線(xiàn)模塊設計

CAN總線(xiàn)模塊是數字傳感器系統中用來(lái)實(shí)現CAN總線(xiàn)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(xiàn)驅動(dòng)TJA1050等組成。

為了保護CAN控制器，提高抗干擾能力，總線(xiàn)驅動(dòng)與CAN總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)上的高頻干擾，以及提高總線(xiàn)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(xiàn)模塊采用網(wǎng)絡(luò )冗余方法對總線(xiàn)及其驅動(dòng)進(jìn)行可控的總線(xiàn)冗余設計，CAN總線(xiàn)模塊冗余設計原理如圖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(xiàn)驅動(dòng)和兩對差分線(xiàn)組成。我們可以通過(guò)控制模擬多路開(kāi)關(guān)CD4052在兩個(gè)總線(xiàn)之間進(jìn)行切換，A1、A0為CD4052的控制信號，由節點(diǎn)的主控制器控制。

當A1A0=01時(shí)，X通道選通X3、Y通道選通Y3，此時(shí)總線(xiàn)驅動(dòng)U4工作，數據通過(guò)總線(xiàn)1傳輸；當A1A0=10時(shí)，X通道選通X2、Y通道選通Y2，此時(shí)總線(xiàn)驅動(dòng)U3工作，數據通過(guò)總線(xiàn)2傳輸。CAN網(wǎng)絡(luò )正常工作時(shí)，兩條總線(xiàn)互為備用（一條總線(xiàn)工作，另外一條處于備用狀態(tài)）。

為了檢測各個(gè)節點(diǎn)的工作狀態(tài)，CAN網(wǎng)絡(luò )會(huì )以固定的頻率發(fā)送檢測命令，該檢測命令通常由CAN網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)固定的主節點(diǎn)來(lái)發(fā)送的，主節點(diǎn)發(fā)送檢測命令后，根據預定的應答情況判斷是否有節點(diǎn)損壞以及是哪個(gè)節點(diǎn)損壞；其他節點(diǎn)稱(chēng)為副節點(diǎn)，副節點(diǎn)接收主節點(diǎn)發(fā)送的檢測命令，若接收到檢測命令，則及時(shí)返回應答信息給主節點(diǎn)，若超過(guò)了預定時(shí)間主節點(diǎn)還未接收到檢測信息，則由控制器控制切換總線(xiàn)并報警。

圖6 CAN總線(xiàn)模塊冗余設計原理圖

電源模塊設計

根據現場(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電壓轉換為5V和3.3V。本設計選用TPS5410將24V電壓轉換為5V，選用MAX1658將5V電壓轉換為3.3V；另外，為了給光耦和CAN驅動(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，定義該隔離出來(lái)的5V為W5V，它的地為W5VGND。

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

MAX1658電壓轉換電路如圖8所示。MAX1658是MAXIM公司的一款5V轉3.3V的開(kāi)關(guān)電源芯片，轉換效率高達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(jiǎn)單。

圖8 MAX1658電壓轉換電路圖

DCR010505隔離5V電路如圖9所示。DCR010505是TI公司的一款隔離型開(kāi)關(guān)電源芯片，能夠將5V電壓隔離為另外一個(gè)不共地的5V；開(kāi)關(guān)轉換頻率為400KHz；轉換效率為80%；具有1000Vrms的隔離能力和過(guò)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

結束語(yǔ)

隨著(zhù)電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，帶有CAN通信接口的數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字傳感器系統。首先介紹了數字傳感器系統總體設計方案，然后詳細闡述了系統的硬件設計，包括控制中心模塊、壓力采集模塊、溫濕度采集模塊、CAN總線(xiàn)模塊以及電源模塊設計。該數字傳感器系統性能穩定，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)。