谢丫丫

如何设计用于工业监控应用的超简单传感器系统?

0
阅读(39) 评论(0)

本文介绍了一个大型模块化传感器系统的以太网连接子系统,该系统专为工业或智能家居传感和监控而设计。我们将讨论为此应用开发的定制传感器子系统。

为家庭或自动化创建自定义传感器解决方案通常需要大量定制。可能有几个制造商的各种传感器被收集在电路板上,必须设计固件,并创建用户界面或仪表板。这不是一项非常艰巨的工作 - 但它可能相当繁琐且耗时。定制方面也可能使其在许多用例中成本过高。

该项目背后的想法是创建一个“超级简单传感器系统”,允许各种输入和输出节点通过一个通用协议链接在一起,尽可能少的线路和低升级/更换成本。这个子系统有望在您的设计中激发创造力,但它不是市场准备的产品。

灵感源自设计精美的Makeblock Neuron系列儿童益智玩具。多个传感器和输入(温度,湿度,操纵杆,按钮等)通过各种输出和接口(LED显示屏,蜂鸣器等)连接,所有设备通过磁性弹簧加载的弹簧针连接器连接。

 

项目概述:每个节点通过电源,接地和两个UART连接连接到其相邻节点。 

 

选择通信协议

我项目中的每个节点都内置了一个廉价的微控制器。传感器或机械输入数据通过适合传感器的接口(SPI,I2C,CAN,4-20mA等)发送到微控制器,然后微控制器转换数据到公共接口(UART,USB等)以传输到相邻节点。

在这种情况下,我选择UART作为通用总线协议。从左侧的相邻节点读取数据,将来自当前传感器的数据添加到流中,然后将所有数据传递到右侧的相邻节点。

每个输入节点都添加到数据流,可能带有标识数据长度的字节,节点标识字节和数据。希望扩充系统的设计人员只需要设计一个节点; 这保留了设计的模块化,并允许快速,轻松地连接设备目录。

 

 

数据以菊花链方式从一个节点连续传递到下一个节点,直到它到达输出节点。在那里输出设备(闪烁警报,LCD显示器,蜂鸣器等ICfans)读取数据流以获取与它们相关的信息并相应地采取行动 - 在整个时间内传递数据。

这对于具有一个UART总线的三线接口(VDD,GND,数据)来说足够好,但是需要将所有输入节点放置在输出节点之前。通过添加第二个UART总线,可以传递双向信息,并可以在任何配置中添加节点。或者,第二行可用于微控制器软件更新,作为心跳监视器,或保留供将来使用。

您可以在设计中使用磁性pogo-pin连接器,让您的生活更轻松。

 

磁性pogo pin连接器图片由深圳市喜五金电子有限公司提供。

 

如上面的框图所示,Tx / Rx线(对于UART0和UART1)延伸到电路板的相对侧。这有几个原因。

首先,也许是最重要的,这允许同时编程/调试和使用。微控制器编程接口与UART0共用引脚(即,编程信号和UART信号都被路由到相同的物理引脚),因此测试接收和发送序列,这发生在电路板的相对侧,同时连接到调试器,要求UART1的两个数据引脚之一位于电路板的两侧。

其次,它允许单个UART总线用于三线配置(即电源,接地,一侧为Tx,另一侧为电源,接地,Rx)。

最后,它可以通过允许使用相同的总线接收和发送数据而不是每次进入节点时从接收总线复制到单独的发送总线来简化固件。

 

设计与工业通信:关于子系统

随着时间的推移,工厂车间的传感器和显示器往往会被忽略。数据必须从工厂车间移动到建筑物的中心位置,或者可能跨越城镇移动到监控位置。为了满足这一要求,我选择使用有线以太网连接。通常已经安装在某个位置的Cat5和Cat6接线可以在LAN中长距离传输数据,并且当连接到WAN时,可以在世界任何地方移动数据。MQTT协议专为M2M(机器到机器)通信而设计,可以轻松建立MQTT代理以将数据从接口节点移动到接口节点,同时使用TLS1.3进行保护。

一旦数据到达LAN或Internet中的目的地,程序员就可以捕获数据以创建图形用户界面,有时也称为“ 仪表板”,管理员和控制器可以查看。不幸的是,随着时间的推移,这些显示器往往会逐渐被忽略。自动化的当前趋势是创建可以直接发送给工人的自动文本,电子邮件或其他警报,然后如果工作人员没有及时纠正错误情况,请通知员工的直接主管。

该项目的关键部分要求我有两个独立的UART总线和一个以太网接口。对于以太网接口,我选择了WizNET W5500。这种高度集成的IC实现了TCP / IP堆栈,10/100以太网MAC(媒体访问控制)和PHY(物理层)。我对TCP / IP堆栈,UDP,ARP,ICMP等没有多少经验,这个IC允许我通过SPI使用多达8个插槽 - 我熟悉的协议。  

我选择MSP430FR2633作为微控制器。虽然MSP430FR2433也可以控制W5500,但我知道我会有一些未使用的GPIO引脚,我喜欢在未来创建低成本电容式触摸控制面板的选择。2433不支持电容式触摸,因此我选择了2633.该项目中使用的所有其他IC都支持W5500和MSP430FR2633。

 

功率

系统中的每个节点共享一个公共的5VDC轨道。5V电源由一块电路板产生,作为整个网络的电源,然后每块电路板使用两个TLV757P  LDO将5V电压轨调节至3.3V(模拟电路)和3.3V(数字电路)。这是一个四层板,顶层和底层分别用于信号,第2层和第3层分别用于AVDD和GND。

 

电源部分的示意图 

 

AVDD和DVDD线路的布线对这种4层板提出了挑战。选择AVDD(以下面的品红色显示)作为电源平面网,因为这种布置似乎导致更简单,更清洁的布线。DVDD必须在第1,2和4层之间移动,这是不理想的。在每次转换时,使用多个通孔来最小化阻抗。

 

上面显示的是物理PCB,后面是布局的第1-4层。第2层(AVDD)以洋红色显示,DVDD 以橙色显示。

 

以太网连接

几乎所有硬连接到Internet的设备都有一个8P8C RJ45插孔。无论是内置在插孔中还是非常靠近插孔,都有一个脉冲变压器。脉冲变压器将集成电路与电缆电隔离。隔离提供了对DC故障条件的保护,并消除了与发送器和接收器的接地电位差异相关的问题。变压器还可用作抑制共模噪声的差分接收器,例如从大功率设备产生的电磁干扰,并同样耦合到两根紧密扭曲的信号线中。  

电路集成的两个选项是带外部脉冲变压器的RJ45插孔,或带集成脉冲变压器的RJ45插孔。集成选项通常被称为“MagJack”,通常更容易使用,但有点贵。您只需要访问四对线中的两对进行10/100通信。其他两对完全没用!当我为这个项目选择部件时,我没有想到这个想法,我拒绝了几个提议的MagJack,因为他们只提供了两对电线的接入并且有六针脚印 - 我需要一个8P8C插孔,带有两个LED (每个LED都有独立的阳极和阴极引脚),所以我正在寻找十二针或更大的脚印。Woops!仅使用八个导体中的四个。这个故事的寓意是:如果你不打算使用所有八个导体,

如下所示,R7-R10是阻尼电阻。我根据其他参考设计估算了它们的值。它们对于防止电路中的过冲和振铃是必要的。测试必须揭示线条是否超过/低于/临界阻尼并且相应地调整值。发送对通过49.9Ω电阻上拉至DVDD,中心抽头通过10Ω电阻连接到DVDD,并通过22nF电容去耦至地。接收对通过阻尼电阻,遇到两个电容。根据制造商的建议,该对通过两个49.9Ω电阻连接到0.01μF去耦电容 - 它们通过变压器绕组的中心抽头进一步上拉至DVDD。

 

我的WizNet W5500实现MagJack 电路。

 

Wiznet W5500

从硬件角度来看,WizNet W5500是该电路的一个非常简单的补充。必须包含一个外部晶体振荡器,并且需要六个左右的模拟去耦电容 - 每个AVDD引脚一个。引脚43-45用于选择网络模式。如果需要使用除默认配置之外的其他东西(因为事实证明我不需要更改模式),我提供了用于焊接桥的焊盘。

晶体振荡器制造商建议从晶体正下方去除铜。我使用地面倾倒试图将晶体的输出与W5500 SCLK输入线隔离,尽管可能没有必要。

 

WizNet W5500原理图如上图所示。

 

MSP430FR2633

MSP430FR2633是我一直在使用的最新微控制器IC,我现在已经将它用于一些项目(包括这个电容式触摸项目)。如果您在使用它时遇到问题,我发现德州仪器在其E2E论坛中支持工程师,应用工程师会回答大多数问题/请求。  

MCU通过MCC-FET编程器和调试器通过GCC,IAR或Code Composer Studio进行编程。我喜欢使用该MCU的原因之一是因为它具有专用的电容式触摸输入引脚。这意味着可以将按钮/开关/滑块添加到控制面板中,仅用于额外PCB的成本,或者如果将电容式触摸元件,MCU和其他所需组件合并到单个PCB中则可以免费。有关详细信息,请参阅我在MSP430FR2633上的其他文章。

 

具有去抖复位电路的MSP430FR2633原理图如上所示。

 

PCB上的MCU实现相当简单 - 只需要几个去耦电容和复位电路。复位开关上的去抖电路遵循数据表的建议。

 

电压电平转换器

虽然不是绝对必要,但我在MSP430的UART数据线上添加了两个逻辑电平转换器。由于进入电路板的电源电压为5V,我选择将数据线信号设为5V。这是一个有点武断的选择,可以做出很好的论据,使它们保持在3.3V(这是MCU使用的电源电压)。

 

部分放置

除MagJack和电源LED外,所有部件都放在电路板的顶部。MagJack远离其他组件,MagJack下方的铜已从电路板的所有层中移除,因此插孔内的磁性元件不会影响电路的任何其他部分。差分对以尽可能小的距离布线在器件的占位面积之外。

Wiznet W5500与其所有支持电路一起位于电路板的中心,在丝网表的正上方和左侧可以看到三个未使用的焊桥垫。MSP430FR2633位于WizNet右侧,带有接头J2,提供四个电容式触摸引脚,一个DVDD引脚和三个GPIO引脚。这些用于未来的用户界面面板,其中包含四个电容式触摸板和三个LED。除差分迹线外,每条数字信号线都提供测试焊盘。

 

项目PCB。