集成以太網(wǎng)接口的壓力檢測儀表設計與實現(xiàn)

韓冬林

（天津中德職業(yè)技術學院 天津 300350）

隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，檢測儀表的以太網(wǎng)接入功能已經(jīng)越來越受到關注和重視[1]。以往在為檢測系統(tǒng)提供以太網(wǎng)應用接入電路時，可選擇的網(wǎng)絡控制器都是專為個人計算機系統(tǒng)設計的。這類以太網(wǎng)控制器采用并行接口電路，不僅會大量占用檢測儀表中單片機主控制器的硬件資源，還會顯著降低單片機應用軟件的執(zhí)行效率[2]。美國Microchip公司的PIC18F97J60高性能單片機內(nèi)部不僅嵌入了IEEE 802.3兼容的以太網(wǎng)控制器，集成了以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制MAC模塊和物理層收發(fā)器PHY模塊，而且還集成了一個用于實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐的DMA模塊，以及硬件IP校驗和計算模塊，實現(xiàn)了單片機控制系統(tǒng)與10/100/1000Base-T以太網(wǎng)單芯片無縫聯(lián)網(wǎng)功能，為檢測儀表的嵌入式以太網(wǎng)接口設計提供了一種全新的和高集成度的解決方案。基于此單片機，本文提出并實現(xiàn)了一種新型的集成以太網(wǎng)接口的壓力檢測儀表，為壓力檢測儀表的網(wǎng)絡化提供了一種新的途徑。

1 新型壓力檢測儀表的系統(tǒng)構成

本文設計的基于PIC18F97J60單片機的集成以太網(wǎng)接口的壓力檢測儀表如圖1所示，由壓力傳感器芯片、信號調(diào)理電路、低通濾波器電路、PIC18F97J60單片機、以太網(wǎng)變壓器和以太網(wǎng)端口等6部分構成。

圖1 集成以太網(wǎng)接口的壓力檢測儀表系統(tǒng)框圖Fig.1 Integrated Ethernet interface pressure testing instrument system block diagram

壓力傳感器的檢測信號經(jīng)信號調(diào)理電路放大并抑制掉共模電壓成分后進入低通濾波器電路，濾波器電路將濾除掉混疊到信號調(diào)理路徑中的噪聲信號。PIC18F97J60單片機中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將處理過的壓力檢測模擬量電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在以太網(wǎng)協(xié)議棧軟件的管理下，將壓力檢測數(shù)據(jù)通過單片機內(nèi)部的以太網(wǎng)接口模塊發(fā)送給以太網(wǎng)變壓器，最終經(jīng)RJ45以太網(wǎng)端口接入網(wǎng)絡。

2 壓力檢測儀表的硬件設計

2.1 壓力傳感器信號調(diào)理電路設計

本文采用美國SenSym公司的壓阻式壓力傳感器SCX015作為壓力檢測元件。該傳感器采用惠斯通全橋配置進行電阻布線，相比單臂電橋或雙臂電橋布線的壓力傳感器而言，提高了傳感器的靈敏度[3]：當向四臂電橋施加正向差壓時，作為響應，全橋配置的傳感器有兩臂變成壓縮狀態(tài)，而其余兩臂則變?yōu)槔鞝顟B(tài)；當向傳感器施加反向差壓時，傳感器的橫膈膜在反方向上被拉緊并且處于壓縮狀態(tài)的傳感器變?yōu)槔鞝顟B(tài)，與此同時處于拉伸狀態(tài)的傳感器則變成壓縮狀態(tài)。

壓阻式壓力傳感器SCX015的調(diào)理電路如圖2所示。為了生成單端輸出信號VOUT，需要將兩個來自傳感器電橋的電壓信號VIN1和VIN2相減，并將傳感器的微弱信號放大，這樣才能夠匹配單片機A/D轉(zhuǎn)換器的采樣電壓范圍[4]。設計中采用兩個儀表放大器MCP602實現(xiàn)了電壓信號相減和放大功能，這兩個MCP602分別接收了兩路互為反向的傳感器電橋電壓輸出信號，將它們相減并將單端信號進行了放大。相減處理能夠抑制共模電壓，放大處理能夠?qū)π盘栯娖竭M行調(diào)理。

圖2 壓力傳感器信號調(diào)理電路Fig.2 Pressure sensor signal conditioning circuit

壓力傳感器信號調(diào)理電路的傳遞函數(shù)為：

注意到此傳遞函數(shù)中在放大了輸入信號的同時也放大了輸入信號的共模電壓VCM，在實際設計中采用將R1=R4和R2=R3的方法，就可以有效抑制掉傳感器信號中共模電壓的成分，此時的傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>

2.2 二階Butterworth低通濾波器電路設計

低通濾波器最基本的硬件實現(xiàn)要求為每個極點配置一個電容和一個電阻，有源濾波器每兩個極點配置一個放大器。如圖3所示，通過使用一個放大器MCP606、3個電阻R3～R5和2個電容C1～C2，實現(xiàn)了二階Butterworth低通濾波器電路。此濾波器的直流增益為負增益，并且可方便地通過改變R4和R3的比值進行調(diào)整。在單電源供電條件下使用時，此電路需要在放大器MCP606的同相輸入端上接上一個參考電壓VREF，設計中將一個10 kΩ的數(shù)字電位計與一個68.1 kΩ和一個 35.7 kΩ的精密電阻串聯(lián)，實現(xiàn)了對濾波器電路的輸出基準電平調(diào)整的功能。數(shù)字電位計的串行控制輸入管腳CS、SCK、SI可以很方便地與PIC18F97J60單片機的輸出IO管腳實現(xiàn)接口，對數(shù)字電位計的串行輸入進行信號控制。當VDD電壓為5 V時，數(shù)字電位計可將該濾波電路的輸出基準電平調(diào)整為3.0～3.4 V。濾波器的截止頻率設定為40 Hz，這將濾除在信號調(diào)理過程中混疊到信號路徑中的電源干擾噪聲。

圖3 二階Butterworth低通濾波器電路Fig.3 Second-order Butterworth low-pass filter circuit

2.3 以太網(wǎng)接口電路設計

PIC18F97J60單片機是一款內(nèi)嵌以太網(wǎng)控制器的高性能單片機，只需使用兩個以太網(wǎng)變壓器和少量的標準無源器件就可以將PIC18F97J60單片機接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)了監(jiān)測儀表與以太網(wǎng)接口的單片機控制器一體化設計。PIC18F97J60單片機的以太網(wǎng)控制器主要包括以下5個功能模塊：

1）以太網(wǎng)物理層收發(fā)器PHY模塊：用于對傳輸雙絞線接口上的模擬數(shù)據(jù)進行編碼和解碼，并通過以太網(wǎng)硬件介質(zhì)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[5]。

2）以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制MAC模塊：實現(xiàn)了符合IEEE 802.3規(guī)范的MAC邏輯，并提供了用以控制物理層收發(fā)器PHY模塊的接口管理功能[6]。

3）獨立的8 kB以太網(wǎng)緩沖器模塊：用于存儲已經(jīng)接收和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

4）判優(yōu)器模塊：用于在單片機內(nèi)核、快速數(shù)據(jù)吞吐的DMA模塊、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請求時，控制對獨立的8 kB以太網(wǎng)緩沖器模塊的訪問。

5）寄存器接口模塊：用作以太網(wǎng)模塊和單片機特殊功能寄存器SFR之間命令和內(nèi)部狀態(tài)信號的譯碼器。

PIC18F97J60單片機以太網(wǎng)接口電路如圖4所示。PIC18F97J60單片機具有4個以太網(wǎng)模塊專用的信號接口引腳，這些引腳分別是：TPIN+（雙絞線差分信號同相輸入）、TPIN-（雙絞線差分信號反相輸入）、TPOUT+（雙絞線差分信號同相輸出）、TPOUT-（雙絞線差分信號反相輸出）。

圖4 PIC18F97J60單片機以太網(wǎng)接口電路Fig.4 Ethernet interface circuit of PIC18F97J60

為了實現(xiàn)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)功能，PIC18F97J60單片機以太網(wǎng)控制器內(nèi)的PHY模塊中的模擬電路要求在RBIAS和地之間外接一個2.26 kΩ的精密電阻，該電阻會影響TPOUT+/TPOUT-信號的幅度，應布置在盡可能靠近單片機芯片的位置，并避免與其他信號走線相鄰，以防止容性噪聲耦合到以太網(wǎng)引腳中。在 TPIN+/TPIN-和TPOUT+/TPOUT-引腳上，需要連接用于以太網(wǎng)的1:1中心抽頭的網(wǎng)絡變壓器，當使能以太網(wǎng)模塊時，兩個TPOUT引腳會有持續(xù)的電流流入，當物理層收發(fā)器PHY模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過改變TPOUT+和TPOUT-的相對電流大小，將在以太網(wǎng)電纜上產(chǎn)生一個差分電壓。

在電路設計中需特別注意：不要在接口的PHY端（即單片機的TPOUT引腳/TPIN引腳和以太網(wǎng)變壓器CT之間）安放共模扼流器CMC，如果要使用CMC來減少EMI輻射，應將它安放在以太網(wǎng)變壓器和RJ-45連接器的1、2引腳/3、6引腳之間，一方面是因為CMC器件的安放位置離信號端口越近對共模干擾的抑制效果越好，另一方面是因為以太網(wǎng)變壓器CT在設計時就是要與以太網(wǎng)接口的PHY端直連的，如果在兩者之間接入CMC器件，會造成信號波形的畸變。另外，以太網(wǎng)接口引腳TPIN+/TPIN-和TPOUT+/TPOUT-均需要使用2個49.9 Ω的精密電阻和一個0.1 μF的陶瓷電容來最大限度地減少反射信號。由于雙絞線接口工作時需要相對較高的電流，因此所有接線都應該盡可能的短，以減少阻性損耗。

3 壓力檢測儀表的軟件設計

本壓力檢測儀表軟件采用C語言進行開發(fā)，應用程序包括初始化模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、協(xié)議棧管理模塊、TCP/IP協(xié)議傳輸模塊、UDP協(xié)議傳輸模塊。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

PIC18F97J60單片機上電復位后首先調(diào)用初始化模塊，完成單片機通用I/O口的設置、單片機內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器和以太網(wǎng)控制器的初始化任務，然后進入主循環(huán)程序。在主循環(huán)程序中第一步先調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，讀入壓力檢測數(shù)據(jù)，第二步調(diào)用協(xié)議棧管理模塊，完成以太網(wǎng)控制器傳輸層和網(wǎng)絡互聯(lián)層的數(shù)據(jù)管理和協(xié)調(diào)任務，第三步根據(jù)網(wǎng)絡協(xié)議的選擇狀態(tài)，分別完成基于TCP/IP協(xié)議或UDP協(xié)議的壓力檢測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸功能。

4 壓力檢測儀表的實現(xiàn)

本文提出的集成以太網(wǎng)接口的壓力檢測儀表采用模塊化設計方案，分別設計了單片機主控板與壓力傳感器信號板，以達到適配多種型號壓力傳感器芯片的目的。壓力檢測儀表的PCB電路板采用四層板結(jié)構設計，將與壓力傳感器信號處理有關的模擬信號地線和與單片機控制有關的數(shù)字信號地線隔離開，有效地避免了單片機執(zhí)行以太網(wǎng)通訊任務時產(chǎn)生的噪聲信號干擾壓力傳感器信號處理電路，保證了壓力傳感器信號經(jīng)單片機模數(shù)采樣及轉(zhuǎn)換的精度。實現(xiàn)的集成以太網(wǎng)接口的壓力檢測儀表如圖6所示。圖6（a）和圖6（b）分別是其外觀及內(nèi)部電路。

5 結(jié) 論

本文基于PIC18F97J60高性能單片機控制器，提出并實現(xiàn)了集成以太網(wǎng)接口的壓力檢測儀表，實現(xiàn)了高集成度的單芯片微控制器以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)功能。該壓力監(jiān)測儀表已經(jīng)在某大型紡織設備制造廠得到了應用，經(jīng)過工廠實際應用結(jié)果表明：該壓力監(jiān)測儀表可以直接接入10/100/1000Base-T以太網(wǎng)，配合以太網(wǎng)協(xié)議棧應用軟件，實現(xiàn)了兼容TCP/IP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）和UDP協(xié)議（用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議）兩種報文格式的壓力檢測數(shù)據(jù)實時在線讀取與網(wǎng)絡傳輸功能。嵌入式以太網(wǎng)接口技術是當前儀表技術領域里的一項高科技含量的共性技術，具有以太網(wǎng)接入功能的檢測儀表可以直接與可編程控制器或工控機聯(lián)網(wǎng)，檢測儀表成為了網(wǎng)絡中的智能節(jié)點，為分布式監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集中處理、網(wǎng)絡信息共享等高級應用提供了技術保障。

圖6 壓力檢測儀表Fig.6 Pressure testing instrument

[1]劉躍，傅一帆.嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口設計與實現(xiàn)[J].自動化技術與應用，2009，28（8）:33-37.

LIU Yue，F(xiàn)U Yi-fan.Ethernet interface of the embedded system[J].Techniques of Automation and Application，2009，28（8） :33-37.

[2]陳峰，易彬，羅春彬.基于嵌入式技術的以太網(wǎng)接口設計[J].通信技術，2010，43（5）:127-129.

CHEN Feng，YI Bin，LUO Chun-bin.Design of ethernet interface based on embedded technology[J].Communications Technology，2010，43（5）:127-129.

[3]閻文靜，張鑒，高香梅.壓阻式壓力傳感器性能的研究[J].傳感器世界，2012（2）:14-17.

YAN Wen-jing，ZHANG Jian，GAO Xiang-mei.Research on performances of piezoresistive pressure sensor[J].Sensor World，2012（2）:14-17.

[4]滕建財，陳聰鵬，郭航.壓阻式壓力傳感器中的信號調(diào)整[J].儀表技術與傳感器，2009（S1）:360-362.

TENG Jian-cai，CHEN Cong-peng，GUO Hang. Signal adjustment in piezoresistive pressure transducer[J].Instument Technique and Sensor，2009（S1）:360-362.

[5]于浩洋，邵國平，秦杰.基于ENC28J60以太網(wǎng)控制器的SPI接口設計[J].黑龍江工程學院學報，2009，23（2）:63-65.

YU Hao-yang，SHAO Guo-ping，QIN Jie.The design of SPI interface of Ethernet controller based on ENC28J60[J].Journal of Heilongjiang Institute of Technology，2009，23（2）:63-65.

[6]郝曉弘，張帆，劉曉鵬.基于以太網(wǎng)通信的斷路器智能控制器設計[J].儀表技術與傳感器，2009（8）:33-35.

HAO Xiao-hong，ZHANG Fan，LIU Xiao-peng.Design of intelligent controller for circuit breaker based on Ethernet communication[J].Instrument Technique and Sensor，2009（8）:33-35.