基于C8051F060單片機的數字傳感器系統硬件設計

隨著科學技術的發展，智能控制技術開始在電子測試領域廣泛地應用。在現代工業測控系統中，人們往往將各種傳感器掛接在現場總線上，組成傳感器網絡系統，各種傳感器設備分別作為其中的一個網絡節點，通過現場總線實現節點與控制中心之間以及節點與節點之間的信息傳輸。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總線傳感器網絡以實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，并對壓力信號進行跟隨濾波處理，然后采集溫濕度數據，并進行數據的編幀處理及數據的通信。經過傳感器采集和預處理之后的數據按照指定的CAN應用協議，通過CAN數據通信接口傳輸到CAN總線，數據由相應的節點采集并存儲，或者直接傳送給上位機，通過上位機軟件實時監測各個節點的數據。

圖1 數字傳感器系統工作原理圖

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絡、傳輸數據和實現總線冗余，CAN總線模塊選用高速光耦、CD4052、TJA1050等器件。

數字傳感器系統硬件設計

控制中心模塊設計

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型MCU。C8051F060單片機采用與8051兼容的專利內核CIP-51，速度高達25MIPS，并具有59個數字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/計數器陣列。同時，片內還集成了兩個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，以及硬件實現的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C8051F060單片機具有抗干擾性強、開發費用低廉、可適用于工業現場應用等特點。

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采集溫濕度數據以及采集和轉換經過跟隨濾波之后的壓力數據，然后對這些信號進行數據處理（濾波處理、數據編幀、數據緩存等）；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管腳的模式狀態都是可以根據需求配置的；為了實現系統時鐘，本設計采用外部晶體振蕩驅動電路驅動外部晶振。

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編幀處理后通過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，是為了滿足系統微小化設計的需求，C8051F060單片機內部嵌有ADC1和ADC0兩個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的數據管腳DATA相連以作為數據線，這種連接方式具有接口方便、控制簡單、通信速率高等優點。溫濕度采集模塊工作原理是：C8051F060單片機通過數據線和時鐘線向SHT15發送控制命令，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，對數據進行簡單編幀等快速處理，最后通過CAN總線接口傳輸給數據記錄器（上位機）進行數據處理與實時監測。