基于C8051F060单片机的数字传感器系统硬件设计

随着科学技术的发展，智能控制技术开始在电子测试领域广泛地应用。在现代工业测控系统中，人们往往将各种传感器挂接在现场总线上，组成传感器网络系统，各种传感器设备分别作为其中的一个网络节点，通过现场总线实现节点与控制中心之间以及节点与节点之间的信息传输。通常，人们选用CAN总线将大部分传感器连接起来，因此，传感器也需相应地智能化并统一数据接口。本文基于C8051F060单片机设计一款带有CAN通信接口的温湿压数字传感器系统，该系统能对压力传感器输出的压力模拟信号进行信号调理和模数转换；能处理并传输温度、湿度和压力数据，搭建CAN总线传感器网络以实现数据的采集和通信。

数字传感器系统总体方案设计

根据数字传感器系统的任务和功能，系统工作原理如图1所示。首先传感器采集压力信号，并对压力信号进行跟随滤波处理，然后采集温湿度数据，并进行数据的编帧处理及数据的通信。经过传感器采集和预处理之后的数据按照指定的CAN应用协议，通过CAN数据通信接口传输到CAN总线，数据由相应的节点采集并存储，或者直接传送给上位机，通过上位机软件实时监测各个节点的数据。

图1 数字传感器系统工作原理图

数字传感器系统主要由控制中心模块、压力采集模块、温湿度采集模块、CAN总线模块及电源模块等部分组成。控制中心模块选用C8051F060单片机；为了实现温湿压数据的采集，数据采集模块选用SHT15、MPX4200A、TLV2402和MAX291等器件；为了完成组建通信网络、传输数据和实现总线冗余，CAN总线模块选用高速光耦、CD4052、TJA1050等器件。

数字传感器系统硬件设计

控制中心模块设计

控制中心模块选用C8051F060单片机，它是美国Cygnal公司推出的完全集成混合信号片上系统型MCU。C8051F060单片机采用与8051兼容的专利内核CIP-51，速度高达25MIPS，并具有59个数字I/O引脚、5个16位通用定时器、6个带有捕捉/比较模块的可编程定时器/计数器阵列。同时，片内还集成了两个16位、1Msps的ADC和2个12位DAC、3个电压比较器、看门狗定时器，VDD监视器和温度传感器。该芯片上集成有64KB的FLASH和4352B内部RAM，以及硬件实现的SPI、SMBus/I2C和2个UART串行接口。最重要是，C8051F060单片机还集成了CAN总线控制器，这使得采用CAN总线开发C8051F060单片机具有抗干扰性强、开发费用低廉、可适用于工业现场应用等特点。

控制中心模块的工作原理如图2所示，C8051F060单片机作为控制中心模块的核心器件，主要负责控制SHT15采集温湿度数据以及采集和转换经过跟随滤波之后的压力数据，然后对这些信号进行数据处理（滤波处理、数据编帧、数据缓存等）；同时，由于C8051F060单片机自身具有CAN通信接口，因此它还可以实现数据传输。

依据图2设计的控制中心模块具体电路如图3所示。C8051F060单片机正常运行之前，必须初始化应用端口和时钟，C8051F060单片机的端口引脚都能承受3V~5V电压值，而且P0~P3管脚的模式状态都是可以根据需求配置的；为了实现系统时钟，本设计采用外部晶体振荡驱动电路驱动外部晶振。

图2 控制中心模块工作原理图

图3 控制中心模块电路图

压力采集模块设计

根据数字传感器系统的要求，压力采集模块主要由模拟传感器、电压跟随电路及低通滤波电路等组成。

模拟传感器选用MPX4200A，用于获取被检测信息以及负责模数转换。为了保证所采集信号的精度，压力信号需经过跟随滤波模块的处理。滤波电路用于对传感器检测到的压力信号进行的跟随和模拟滤波处理。模拟滤波能大大提高传感器采集精度，本设计选用开关电容滤波器MAX291作为对传感器压力信号进行模拟滤波的核心元件。MAX291是MAXIM公司生产的八阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器，它的3dB截止频率可以在0.1kHz~25kHz之间选择。开关电容滤波器需要由一个时钟来驱动电路工作，该时钟的频率应为3dB截止频率的100倍，可以采用外时钟或内时钟2种方式。压力采集模块的跟随滤波原理如图4所示，模块主要包含MPX4200A组成的压力采集敏感头、TLV2402组成的电压信号跟随电路和MAX291组成的低通滤波电路。其工作过程是：MPX4200A将采集到的压力信号转换成电信号之后传输给TLV2402，TLV2402完成信号跟随之后将信号传送给MAX291进行模拟滤波处理，之后在C8051F060单片机的控制下，由单片机内嵌的ADC1（16位A/D转换模块）采集转换压力信号，最后将采集转换的数据经编帧处理后通过CAN通信模块传递给数据记录器。本设计之所以选用C8051F060单片机内嵌的ADC1采集转换压力信号，是为了满足系统微小化设计的需求，C8051F060单片机内部嵌有ADC1和ADC0两个16位AD转换模块，它们的转换速度最高可达1Msps。

图4 压力采集模块跟随滤波原理图

温湿度采集模块设计

温湿度采集模块结构组成如图5所示，在该模块的电路中，C8051F060单片机I/O口与温湿度传感器SHT15直接连接，C8051F060单片机引脚P2.1端口与SHT15的时钟管脚SCK相连以作为时钟线，C8051F060单片机引脚P2.0端口与SHT15的数据管脚DATA相连以作为数据线，这种连接方式具有接口方便、控制简单、通信速率高等优点。温湿度采集模块工作原理是：C8051F060单片机通过数据线和时钟线向SHT15发送控制命令，并且接收SHT15采集、转换的温湿度数据，C8051F060单片机接收到温湿度数据后，对数据进行简单编帧等快速处理，最后通过CAN总线接口传输给数据记录器（上位机）进行数据处理与实时监测。