如何为工业监控应用设计一个超简单的传感器系统

本文描述了一个更大的模块化传感器系统的以太网连接子系统，设计用于工业或智能家居传感和监控。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定制传感器解决方案通常需要大量定制。可能几个制造商的各种传感器被收集在一个电路板上，固件必须经过设计，并创建一个用户界面或仪表板。这并不是一项非常困难的工作，但它可能相当乏味和耗时。定制方面也可能使其在许多用例中成本过高。

这个项目背后的想法是创建一个“超级简单的传感器系统”，允许各种各样的输入和输出节点用一个尽可能少的电线和低升级/更换成本的共同协议连接在一起。这个子系统很有希望激发你的设计创意，但它不是一个市场准备好的产品。

灵感来自于设计精妙的Makelokceron儿童益智玩具系列。多个传感器和输入（温度、湿度、操纵杆、按钮等）与各种输出和接口（LED显示屏、蜂鸣器等）连接，所有设备通过磁性弹簧式pogo引脚连接器连接。

项目框图：每个节点通过电源、接地和两个UART连接连接到相邻节点。

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发送到微控制器(SPI公司 ,I2C ,可以，4-20mA等），然后微控制器将数据转换为通用接口（UART、USB等），以便传输到相邻节点。

在这种情况下，我选择了通用异步收发器作为公共总线协议。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中，可能有一个字节标识数据长度、一个节点标识字节和数据。想要扩充系统的设计者只需要设计一个节点；这保留了设计的模块化，允许设备目录快速方便地连接起来。

数据以菊花链的方式不断地从一个节点传递到下一个节点，直到到达输出节点。在那里，输出设备（闪光警报、LCD显示器、蜂鸣器等）读取数据流中与它们相关的信息，并相应地在整个时间内传递数据。

这对于一个三线接口（VDD、GND、Data）和一个UART总线来说已经足够了，但是需要将所有的输入节点放在输出节点之前。通过添加第二个UART总线，可以传递双向信息，并且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，作为心跳监控器，或保留以供将来使用。

你可以用磁性pogo引脚连接器在你的设计中

如上面方框图所示，Tx/Rx线（适用于UART0和UART1）延伸到板的对面。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共享管脚（即编程信号和UART信号都被路由到同一物理管脚），因此，当连接到调试器时，测试发生在电路板对面的接收和发送序列，要求来自UART1的两个数据管脚中的一个位于板的两侧。

其次，它允许在三线制配置中使用单个UART总线（即，一侧的电源、接地、Tx和另一侧的电源、接地、Rx）。

最后，它可以简化固件，允许使用同一总线接收和传输数据，而不是每次数据进入节点时从接收总线复制到单独的传输总线。

随着时间的推移，工厂地板上的传感器和显示器往往被忽视。数据必须从工厂楼层移动到大楼的中心位置，或者可能穿过城镇转移到监控位置。为了满足这个需求，我选择使用有线以太网连接。Cat5和Cat6布线通常已经安装在某个位置，可以在LAN中远距离传输数据，当连接到WAN时，可以将数据传输到世界任何地方。MQTT协议是为M2M（机器到机器）通信而设计的，并且可以很容易地建立一个MQTT代理来将数据从接口节点移动到接口节点，同时使用TLS1.3条 .

一旦数据到达LAN或Internet的目的地，程序员就可以捕获数据来创建图形用户界面，有时称为鈥仪表板，管理员和控制器可以查看。不幸的是，随着时间的推移，这些显示也逐渐被忽视。当前自动化的趋势是自动文本，电子邮件或其他可以直接发送给员工的警报，如果员工没有及时纠正错误情况，请通知员工的直接主管。

这个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 葡萄酒W5500. 物理层（10层）和物理层（10层）实现了高度集成的物理层。我对TCP/IP协议栈、UDP、ARP、ICMP等没有太多的经验，这个IC允许我在SPI-a协议上使用多达8个套接字。

我选择了 MSP430FR2633作为微控制器。虽然MSP430FR2433也可以控制W5500，我知道我会有一些未使用的GPIO引脚，我喜欢创建一个低成本的选择电容式触摸控制面板未来。2433不支持电容式触摸，所以我选择了2633。项目中使用的所有其他IC都支持W5500和MSP430FR2633。

系统中的每个节点共享一个5伏直流共轨。5V电源由一块板产生，作为整个网络的电源，然后每个板使用两块 TLV757P型LDO将5V轨道调节至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。

电源部分原理图

AVDD和DVDD线路的布线对这个4层板提出了挑战。AVDD（显示在下面的洋红色）被选为电力平面网，因为这种安排似乎导致更容易，更清洁的路由。dvd必须在1、2和4层之间移动，这并不理想。在每个过渡处，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。图层2（AVDD）以洋红色显示，并且 DVD光盘以橙色显示

几乎所有硬连接到Internet的设备都有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。并消除了与接地条件相关联的故障保护。变压器还可以作为一个差分接收器来抑制共模噪声，例如由大功率设备产生的电磁干扰，这些干扰均匀地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，但稍微贵一些。您只需访问四对电线中的两对即可进行10/100通信。另外两对根本不用！当我为这个项目选择零件时，我没有想到这一点，我拒绝了几个建议的磁力千斤顶，因为它们只提供两对导线的通路，并且有六个脚的脚印——我需要一个8P8C插孔，有两个发光二极管（每个发光二极管有独立的阳极和阴极引脚），所以我在寻找12个或更多的脚印。呜呜！八根导线中只有四根被使用。这个故事的寓意是：如果你不打算全部使用8根导线，就不要为另外两对导线支付磁学费用，RJ45插孔的尺寸将相同，而且可能会便宜一点。

如下所示，R7-R10是阻尼电阻器。我根据其他参考设计估算了它们的价值。它们对于防止电路中的过冲和响铃是必要的。测试必须揭示线路是否过度/不足/严重阻尼，并相应调整数值。传输对通过49.9Ω的电阻拉到DVDD上，中心抽头通过10Ω电阻器连接到DVDD，并与22nF电容器对地解耦。接收对通过阻尼电阻，在那里遇到两个电容器。根据制造商的建议，该对通过两个49.9Ω电阻器连接到一个0.01µF去耦电容器上，然后通过变压器绕组的中心抽头将其拉至DVDD。

这个 MagJack 的WizNet W5500实现电路。

从硬件的角度来看，wiznet w5500是一个非常简单的电路添加。必须包括一个外部晶体振荡器和六个左右的模拟去耦电容器，每个AVDD管脚需要一个。引脚43-45用于选择网络模式。我包括了焊桥焊盘，如果有必要使用默认配置以外的东西（事实证明我不需要改变模式）。

晶体振荡器制造商建议从晶体正下方除去铜。我用地面浇口试图将晶体的输出与W5500 SCLK输入线隔离，尽管这可能不是必要的。

WizNet原理图如上所示。

MSP430FR2633是最新的微控制器，我一直在工作，我已经使用它在一些项目现在(包括这个电容触控项目). 如果你使用它有困难，我发现德州仪器公司支持工程师E2E论坛，应用工程师对大多数问题/请求作出响应。

MCU用 MSP-FET程序通过GCC、IAR或代码编写器工作室. 我喜欢使用这个MCU的原因之一是它有专用的电容式触摸输入引脚。这意味着按钮/开关/滑块可以添加到控制面板中，只需额外的PCB，或者如果电容式触摸元件、MCU和其他所需的组件集成到单个PCB中，则不需要任何成本。看看我的关于MSP430FR2633的其他文章更多细节

MSP430FR2633带去抖动复位电路的原理图如上图所示。

PCB上的MCU实现非常简单，只需要几个去耦电容和复位电路。数据表遵循复位电路上的建议。

虽然不是绝对必要的，但我在MSP430的UART数据线中添加了两个逻辑电平转换器。由于输入板的电源电压是5V，所以我选择将数据线信号设为5V。这是一个有点武断的选择，一个很好的理由可以使他们保持在3.3V（这是MCU使用的电源电压）。

除了弹夹和电源指示灯外，所有部件都放在电路板的顶部。磁头远离其他元件，并且磁头下面的铜已经从电路板的所有层中移除，这样插孔内的磁性物质不会影响电路的任何其他部分。差分对以尽可能短的距离路由到设备的外部。

Wiznet W5500与所有支持电路一起位于电路板的中心，三个未使用的焊桥焊盘可以在丝网工作台的上方和左侧看到。MSP430FR2633位于WizNet的右侧，与头端J2一起提供四个电容式触摸引脚、一个DVDD引脚和三个GPIO引脚。这些是为未来的用户界面面板，包括四个电容式触摸板和三个LED。除了差分记录道外，每个数字信号线都提供了测试板。

正面PCB点击放大