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。

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，其主要特點是：①將溫濕度感測、信號變換、A/D轉換和I2C總線接口等功能集成到一個芯片上；②提供兩線數字串行接口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量的露點計算功能；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，SHT15可浸入水中進行測量。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，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換成電信號，電信號首先由微弱信號放大器進行放大，然后進入1個14位的A/D轉換器，最后經由二線串行數字接口輸出數字信號。

CAN總線模塊設計

CAN總線模塊是數字傳感器系統中用來實現CAN總線協議、完成報文收發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總線驅動TJA1050等組成。為了保護CAN控制器，提高抗干擾能力，總線驅動與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。

為了保證通信網絡的可靠性，CAN總線模塊采用網絡冗余方法對總線及其驅動進行可控的總線冗余設計，CAN總線模塊冗余設計原理如圖6所示。該模塊CAN通信接口由一個CAN控制器、兩個CAN總線驅動和兩對差分線組成。我們可以通過控制模擬多路開關CD4052在兩個總線之間進行切換，A1、A0為CD4052的控制信號，由節點的主控制器控制。當A1A0=01時，X通道選通X3、Y通道選通Y3，此時總線驅動U4工作，數據通過總線1傳輸；當A1A0=10時，X通道選通X2、Y通道選通Y2，此時總線驅動U3工作，數據通過總線2傳輸。CAN網絡正常工作時，兩條總線互為備用（一條總線工作，另外一條處于備用狀態）。為了檢測各個節點的工作狀態，CAN網絡會以固定的頻率發送檢測命令，該檢測命令通常由CAN網絡上的一個固定的主節點來發送的，主節點發送檢測命令后，根據預定的應答情況判斷是否有節點損壞以及是哪個節點損壞；其他節點稱為副節點，副節點接收主節點發送的檢測命令，若接收到檢測命令，則及時返回應答信息給主節點，若超過了預定時間主節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總線模塊冗余設計原理圖