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

電源模塊設計

根據現場情況，CAN網絡提供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驅動供電，CAN通信電路需要一個與前面電源不共地的5V電源，在此選用DCR010505來實現，定義該隔離出來的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系列的一款開關電源芯片，具有5.5V~36V的輸入電壓范圍；開關轉換頻率為500KHz；轉換效率高達95%；具有過流、過壓和熱過載保護功能；能夠提供最大為1A的電流；外圍電路簡單。

圖7 TPS5410電壓轉換電路圖

MAX1658電壓轉換電路如圖8所示。MAX1658是MAXIM公司的一款5V轉3.3V的開關電源芯片，轉換效率高達95%；具有2.7V~16.5V的輸入電壓范圍；具有過流、熱過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關電源芯片，能夠將5V電壓隔離為另外一個不共地的5V；開關轉換頻率為400KHz；轉換效率為80%；具有1000Vrms的隔離能力和過熱保護能力；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

隨著電子技術、傳感器技術及現場網絡技術的飛速發展，帶有CAN通信接口的數字化傳感器也得到了迅速的發展。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。