如何为工业监控应用设计超简单的传感器系统

本文描述了一个用于工业或智能家居传感和监控的大型模块化传感器系统的以太网连接子系统。我们将讨论为这个应用程序开发的自定义传感器子系统。

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。来自可能若干制造商的各种传感器在电路板上收集，必须设计固件，并创建用户界面或仪表板。它不是绝佳的工作 - 但它可能是相当乏味和耗时的。自定义方面还可以使其在许多用例中使其成本高。

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与具有最少的电线数量和低升级/更换成本的常用协议一起链接。该子系统希望在您的设计中引发创造力，但它不是市场就绪的产品。

灵感来自于完美的设计meastblock neuron.儿童教育玩具系列。raybet电子竞技竞猜多个传感器和输入（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，所有设备通过磁弹簧加载的Pogo-PIN连接器连接。

项目概述：每个节点使用电源，地和两个UART连接连接到其相邻节点。点击放大。

选择通信协议

我的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那I2C.那可以， 4-20mA等)，然后微控制器将数据转换为公共接口(UART, USB等)传输到邻近节点。

在这种情况下，我选择了UART作为公共总线协议。从左边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给右侧的相邻节点。

每个输入节点都会添加到DataStream，或许具有字节识别数据长度，节点识别字节和数据。希望增强系统的设计师只需要设计一个节点;这保留了设计的模块化，并允许快速且轻松地连接设备目录。

数据不断从一个节点以菊花链方式传递到下一个节点，直到它到达输出节点。有输出设备（闪烁警报，LCD显示屏，蜂鸣器等）读取数据流，以获取与它们有关的信息，并相应地通过数据沿整个时间传递数据。

这将适用于带有一个UART总线的三线接口（VDD，GND，数据），但需要在输出节点之前放置所有输入节点。通过添加第二UART总线，可以传递双向信息，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，如心跳显示器，或保留未来使用。

你可以通过使用来更轻松地让生活更容易磁性PIN连接器在你的设计。

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正如上面的框图所示，Tx/Rx线(用于UART0和UART1)延伸到板的相反边。这有几个原因。

首先，也许最重要的是，这允许同时编程/调试和使用。这microcontroller programming interface shares pins with UART0 (i.e., the programming signal and the UART signal are both routed to the same physical pin), so testing a receive and transmit sequence, which happens on opposite sides of the board, while connected to the debugger, requires that one of the two data pins from UART1 be on either side of the board.

其次，它允许在三线配置中使用单个UART总线（即，电源，地面，在一侧的电源，电源，接地，另一侧Rx）。

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

与工业通信的设计：关于子系统

在工厂地板上的传感器和显示器随着时间的推移往往被忽略。数据必须从工厂楼层移动到建筑物中的中心位置，或者可能会跨城镇到监测位置。为了满足该要求，我选择使用有线以太网连接。CAT5和CAT6接线，通常已经安装在一个位置，可以在LAN中长距离传输数据，并且连接到WAN时，可以在世界上的任何地方移动数据。MQTT协议专为M2M（机器到机器）通信而设计，并且可以轻松建立MQTT代理以将数据从接口节点移动到接口节点，一直在安全TLS1.3.。

一旦数据到达LAN或Internet的目的地，程序员可以捕获数据以创建图形用户界面，有时称为“仪表盘“管理者和控制器可以查看。不幸的是，这些显示器往往会随着时间的推移逐渐被忽略。自动化的当前趋势是创造自动文本可以直接发送给工人的电子邮件或其他警报，然后如果工作人员无法及时纠正错误情况，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）。我没有与TCP / IP堆栈，UDP，ARP，ICMP等有多经验，并且此IC允许我使用高达8个SPI-A协议，我熟悉的协议。

我选择了MSP430FR2633单片机。虽然MSP430FR2433也能够控制W5500，但我知道我将有一些未使用的GPIO引脚，我喜欢创建一个低成本的选项电容式触控器将来。2433不支持电容式触摸，因此我选择了2633.项目中使用的所有其他IC都支持W5500和MSP430FR2633。

力量

系统中的每个节点共享一个常见的5VDC导轨。5V电源由一个板产生，该电路板用作整个网络的电源，然后每个板使用两个TLV757P.LDO将5V导轨调节到3.3V以进行模拟电路和3.3V用于数字电路。这是一个四层板，其顶部和底层分别用于AVDD和GND的信号和层2和3。

原理图力量部分

AVDD和DVDD线的路由在这个四层板上提供了一个挑战。AVDD(如下面的洋红色所示)被选为电源平面网络，因为这种安排似乎可以导致更简单、更干净的路由。DVDD必须在第1、2和4层之间移动，这并不理想。在每个过渡阶段，使用多个过孔来最小化阻抗。

如上所示是物理PCB，后跟布局的层1-4。第2层（AVDD）在洋红色和DVDD用橙色表示。

以太网连接

几乎所有硬连接到互联网的设备都有一个8P8C RJ45插孔。安装在插孔或非常接近插孔中有一个脉冲变压器。脉冲变压器电压隔离电缆的集成电路。隔离提供从DC故障条件的保护，并消除了与发射器和接收器的地电位差异相关的问题。变压器还用作差分接收器，该差分接收器抑制来自高功率设备产生的电磁干扰，并同样地耦合到两个紧密的扭曲信号线中。

集成电路的两种选择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10/100通信的四对线路中的两对。另外两对根本没有使用!我选择这个项目的部分的时候,这个想法不想到我,我拒绝了几个MagJacks提出,因为他们只提供两条电线,six-pin footprints-I需要一个8 p8c杰克,两个发光二极管(每个领导都有单独的阳极和阴极针),所以我寻找twelve-pin足迹或更高。糟糕!8根导线中只有4根被使用。这个故事的寓意是这样的:如果你不打算使用所有的8根导线，就不要为另外两对导线的磁性支付费用——RJ45插孔将是同样的大小，也许更便宜。

如下，R7-R10都是阻尼电阻器。我基于其他参考设计估计了它们的值。它们是防止在电路中的过冲和振铃。测试必须揭示线路是否超过/批判性地阻尼，并且相应地调整的值。将传输对拉到DVDD到DVDD到DVDD到49.9Ω电阻，中心敲击通过10Ω电阻连接到DVDD，并与22nf电容器分离到地。接收对通过阻尼电阻器，在那里遇到两个电容器。该对通过两个49.9Ω电阻捆到0.01μF的连接电容器，每个制造商推荐 - 它们通过变压器绕组的中心抽头进一步拉到DVDD。

这马尾卡电路为我的Wiznet W5500实现。

Wiznet W5500.

从硬件的角度来看，WizNet W5500是对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和六个左右的模拟解耦电容-每个AVDD引脚一个。引脚43-45用于选择网络模式。我包括了焊桥的垫，如果有必要使用除默认配置以外的其他东西(因为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中直接移除铜。并且我使用地面倾倒以试图将水晶输出从W5500 SCLK输入线隔离，尽管可能没有必要。

上面显示的WizNet W5500原理图。

MSP430FR2633

MSP430FR2633是我正在使用的最新的微控制器，我现在已经使用了一些项目（包括此电容式触控项目）。如果您使用它遇到困难，我发现德州仪器是他们在他们的工程师的支持E2E论雷电竞newbee坛，应用工程师响应大多数问题/请求的地方。

对单片机进行了编程MSP-FET程序员通过GCC，IAR或代码Composer Studio。我喜欢使用这个MCU的原因之一是，它有专用的电容触摸输入引脚。这意味着按钮/开关/滑块可以添加到控制面板，只需要额外的PCB成本，或者如果电容触摸元件、MCU和其他必需的组件被合并到单个PCB中，则不需要任何成本。看到我的MSP430FR2633上的其他文章更多细节。

MSP430FR2633以上面示出了具有Debounced Reset电路的示意图。

PCB上的MCU实现是相当简单 - 只需几个去耦电容和重置电路就是所需的全部。重置开关上的去抖电路跟随数据表推荐。

电压电平转换器

虽然没有严格必要，我将两个逻辑级转换器添加到MSP430的UART Datalines中。由于进入电路板的电源电压为5V，因此我也选择了DataLine信号5V。这是一个若干任意的选择，并且可以对3.3V保持（这是MCU使用的电源电压）来进行非常好的论点。

部分位置

除了Magjack和Power LED之外，将所有部件放在电路板顶部。Magjack远离其他部件，磁铁下方的铜已经从电路板的所有层移除，使得插孔内的磁性不会影响电路的任何其他部分。差分对在设备的占地面积之外，尽可能小的距离。

Wiznet W5500位于电路板的中心及其所有支撑电路，可以看到三个未使用的焊锡桥垫就在丝网印刷台的上方和左边。MSP430FR2633与头j2一起位于WizNet的右侧，头j2提供4个电容触摸引脚、1个DVDD引脚和3个GPIO引脚。这是未来的用户界面面板，包含四个电容触摸板和三个led。除了差分迹线之外，每个数字信号线都提供测试盘。

PCB项目PCB。点击放大。

更多信息请看下面的视频。

该子系统演示了如何潜在地集成大量传感器并在工厂或家中显示，并使用MQTT收集长距离的数据。

我们创建了希望在您的设计中激励想法的项目。如果有任何您希望我们考虑制作的东西，请在下面发表评论。