基于C8051F060单片机的数字传感器系统硬件设计

图5 温湿度采集模块结构组成图

本设计选用温湿度传感器SHT15采集温湿度数据。SHT15是瑞士Sensirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片，其主要特点是：①将温湿度感测、信号变换、A/D转换和I2C总线接口等功能集成到一个芯片上；②提供两线数字串行接口SCK和DATA，并支持CRC传输校验；③提供温度补偿和湿度测量值以及高质量的露点计算功能；④测量精度可编程调节，内置A/D转换器；⑤由于采用了CMOSensTM技术，SHT15可浸入水中进行测量。SHT15的性能参数如下：①温度测量范围是-40~+123.8℃；②湿度测量范围是0~100%RH；③温度测量精度是±0.3℃；④湿度测量精度是±2.0%RH；⑤响应时间是8s。数字式温湿度传感器SHT15是8引脚SMD表面贴片封装形式，其引脚1接地，引脚4接电源，工作电压为2.4~5.5VDC，为了达到SHT15的最高精确度，供电电压为3.3V适宜；引脚2为数据线，引脚3为时钟线，引脚5~8为空管脚。SHT15包含1个用能隙材料制成的温度敏感元件和1个电容性聚合体湿度敏感元件，这两个敏感元件分别将温度和湿度转换成电信号，电信号首先由微弱信号放大器进行放大，然后进入1个14位的A/D转换器，最后经由二线串行数字接口输出数字信号。

CAN总线模块设计

CAN总线模块是数字传感器系统中用来实现CAN总线协议、完成报文收发等功能的元器件的集合，该模块由C8051F060单片机、高速光耦HCPL0600以及CAN总线驱动TJA1050等组成。为了保护CAN控制器，提高抗干扰能力，总线驱动与CAN总线的接口部分采用一定的安全和抗干扰措施：TJA1050的CANL和CANH引脚各自通过一个5 的电阻与CAN总线相连，电阻可以使TJA1050免受过流的冲击；CANL和CANH与地之间各自都并联了一个30pF的小电容，能够尽量滤除掉总线上的高频干扰，以及提高总线的防电磁辐射的能力。

为了保证通信网络的可靠性，CAN总线模块采用网络冗余方法对总线及其驱动进行可控的总线冗余设计，CAN总线模块冗余设计原理如图6所示。该模块CAN通信接口由一个CAN控制器、两个CAN总线驱动和两对差分线组成。我们可以通过控制模拟多路开关CD4052在两个总线之间进行切换，A1、A0为CD4052的控制信号，由节点的主控制器控制。当A1A0=01时，X通道选通X3、Y通道选通Y3，此时总线驱动U4工作，数据通过总线1传输；当A1A0=10时，X通道选通X2、Y通道选通Y2，此时总线驱动U3工作，数据通过总线2传输。CAN网络正常工作时，两条总线互为备用（一条总线工作，另外一条处于备用状态）。为了检测各个节点的工作状态，CAN网络会以固定的频率发送检测命令，该检测命令通常由CAN网络上的一个固定的主节点来发送的，主节点发送检测命令后，根据预定的应答情况判断是否有节点损坏以及是哪个节点损坏；其他节点称为副节点，副节点接收主节点发送的检测命令，若接收到检测命令，则及时返回应答信息给主节点，若超过了预定时间主节点还未接收到检测信息，则由控制器控制切换总线并报警。

图6 CAN总线模块冗余设计原理图

电源模块设计

根据现场情况，CAN网络提供24V电压给传感器，而传感器需要5V或3.3V的电源供电，因此，需要电源模块将24V电压转换为5V和3.3V。本设计选用TPS5410将24V电压转换为5V，选用MAX1658将5V电压转换为3.3V；另外，为了给光耦和CAN驱动供电，CAN通信电路需要一个与前面电源不共地的5V电源，在此选用DCR010505来实现，定义该隔离出来的5V为W5V，它的地为W5VGND。

TPS5410电压转换电路如图7所示。TPS5410是TI公司SWIFT系列的一款开关电源芯片，具有5.5V~36V的输入电压范围；开关转换频率为500KHz；转换效率高达95%；具有过流、过压和热过载保护功能；能够提供最大为1A的电流；外围电路简单。

图7 TPS5410电压转换电路图

MAX1658电压转换电路如图8所示。MAX1658是MAXIM公司的一款5V转3.3V的开关电源芯片，转换效率高达95%；具有2.7V~16.5V的输入电压范围；具有过流、热过载保护和电源反接保护功能；能够提供最大为350mA的电流；外围电路简单。

图8 MAX1658电压转换电路图

DCR010505隔离5V电路如图9所示。DCR010505是TI公司的一款隔离型开关电源芯片，能够将5V电压隔离为另外一个不共地的5V；开关转换频率为400KHz；转换效率为80%；具有1000Vrms的隔离能力和过热保护能力；提供最大200mA的电流；最大输入电压为7V。

图9 DCR010505隔离5V电路图

结束语

随着电子技术、传感器技术及现场网络技术的飞速发展，带有CAN通信接口的数字化传感器也得到了迅速的发展。本文基于C8051F060单片机设计了一款带有CAN通信接口的温湿压数字传感器系统。首先介绍了数字传感器系统总体设计方案，然后详细阐述了系统的硬件设计，包括控制中心模块、压力采集模块、温湿度采集模块、CAN总线模块以及电源模块设计。该数字传感器系统性能稳定，集成了温湿度传感器、压力传感器等，带有CAN通信接口，具有集成化、小型化等特点。