如何为工业监控应用设计超简单的传感器系统

本文介绍了一个较大的模块化传感器系统的以太网连接子系统，该系统旨在工业或智能家庭感应和监视。我们将讨论为此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自定义。也许从电路板上收集了来自几个制造商的各种传感器，必须设计固件以及创建用户界面或仪表板。这并不是绝大部分艰难的工作，但可能会很乏味且耗时。自定义方面也可能使其在许多用例中都过于良好。

该项目背后的想法是创建一个“超简单的传感器系统”，该系统允许将各种输入和输出节点与通用协议链接在一起，并具有最少的电线数量，并且升级/替换成本较低。该子系统有望在您的设计中激发创造力，但它不是市场准备就绪的产品。

灵感来自设计精美的makeblock神经元儿童教育玩具系列。beplay网页版本多个传感器和输入（温度，湿度，操纵杆，按钮等）与各种输出和接口（LED显示器，蜂鸣器等）连接，并且所有设备都通过磁性弹簧加载的Pogo Pin连接器连接。

项目概述：每个节点都通过电源，接地和两个UART连接连接到其相邻节点。点击放大。

选择通信协议

我项目中的每个节点都有一个廉价的微控制器内置。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，，，，I2C，，，，能够，4-20mA等）和微控制器然后将数据转换为公共接口（UART，USB等）以传输到相邻节点。

在这种情况下，我选择了uart作为通用总线协议。数据是从左侧的相邻节点读取的，当前传感器的数据将添加到流中，然后所有数据都传递给右侧的相邻节点。

每个输入节点都会添加到数据源中，也许具有一个字节识别数据长度，节点标识字节和数据。希望增加系统的设计师只需设计一个节点。这保留了设计的模块化，并允许设备目录快速，轻松地连接。

数据以雏菊链的方式不断从一个节点传递到另一个节点，直到达到输出节点为止。在那里，输出设备（闪烁的警报，LCD显示，蜂鸣器等）读取数据流以获取与它们有关的信息并相应地采取的信息，并始终超过数据。

对于一个UART BUS的三线接口（VDD，GND，数据）来说，这将足够正常，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，并且可以在任何配置中添加节点。另外，第二行可以用于微控制器软件更新，作为一个心跳监视器，或保留供将来使用。

您可以通过使用来使生活更轻松磁性pogo针连接器在您的设计中。

磁性pogo引脚连接器的图像由深圳像硬件电子公司有限公司。

如上图所示，在框图中，TX/RX线（对于UART0和UART1都）延伸到板的相对侧。这是出于几个原因。

首先，也许最重要的是，这允许同时编程/调试和使用。微控制器编程界面与UART0共享引脚（即编程信号和UART信号均被路由到相同的物理销），因此测试接收和发送序列，该序列发生在板的相对侧，同时连接到DEBUGGER，，要求UART1的两个数据引脚之一都位于板的两侧。

其次，它允许将单个UART总线用于三线配置（即，一侧的电源，地面，TX，另一侧的rx，RX）。

最后，它可以通过允许使用相同总线接收和传输数据来简化固件，而不是每次进入节点时都会从接收总线复制到单独的传输总线。

考虑工业通信的设计：关于子系统

随着时间的流逝，在工厂地板上的传感器和显示器往往会被忽略。数据必须从工厂的地板转移到建筑物中的中央位置，或者在整个城镇中转移到监视位置。为了满足这一要求，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中的长距离传输数据，并且在连接到WAN时，可以将数据移动到世界各地。MQTT协议是为M2M（机器对机器）通信而设计的，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，同时始终使用TLS1.3。

一旦数据到达LAN或Internet的目的地，程序员就可以捕获数据以创建图形用户界面，有时称为“仪表板，”经理和控制者可以查看。不幸的是，随着时间的流逝，这些显示器往往会逐渐被忽略。当前的自动化趋势是创建自动文本，电子邮件或其他可以直接发送给工人的警报，然后如果工人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。对于以太网界面，我选择了Wiznet W5500。这个高度集成的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）。我在TCP/IP堆栈，UDP，ARP，ICMP等方面没有太多经验，并且此IC使我可以在SPI上使用多达8个插座，这是我熟悉的协议。

我选择了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，并且我喜欢创建低成本的选项电容触摸控制面板在将来。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支持W5500和MSP430FR2633。

力量

系统中的每个节点都有一个共同的5VDC导轨。5V电源是由一个用作整个网络的电源的板生成的，然后每个董事会使用两个TLV757PLDO将模拟电路调节5V导轨至3.3V，数字电路为3.3V。这是一个四层板，顶层和底层用于AVDD和GND的信号和层2和3。

示意图力量部分

AVDD和DVDD线路的路由在此4层板上为挑战提供了挑战。选择了AVDD（如下所示）作为动力平面网，因为这种布置似乎会导致更容易，更干净的路由。DVDD必须在1、2和4层之间移动，这不是理想的。在每个过渡时，使用多个VIA来最大程度地减少阻抗。

上面显示的是物理PCB，其次是布局的1-4层。第2层（AVDD）在洋红色中显示，并且DVDD以橙色显示。

以太网连接

几乎所有与互联网连接的设备都有8p8c RJ45杰克。内置在千斤顶中，或者非常靠近千斤顶，有一个脉冲变压器。脉冲变压器从电缆上循环隔离了集成电路。隔离提供了免受直流断层条件的保护，并消除了与发射器和接收器的地面电势差异相关的问题。变压器还充当抑制共同模式噪声的差分接收器，例如电磁干扰，该电磁干扰是由高功率设备产生的，并同样耦合到两条紧密扭曲的信号线中。

电路集成的两个选项是带有外部脉冲变压器的RJ45插孔，或带有集成脉冲变压器的RJ45插孔。集成的选项通常称为“ Magjack”，通常更易于使用，但更昂贵。您只需要访问四对电线中的两条即可进行10/100通信。其他两对根本不使用！When I was selecting parts for this project, this thought didn’t occur to me, and I rejected several proposed MagJacks because they only provided access to two pairs of wires and had six-pin footprints—I needed an 8P8C jack, with two LEDs (each LED has separate anode and cathode pins), so I was searching for twelve-pin footprints or greater. Woops! Only four of the eight conductors are used. The moral of the story is this: If you’re not going to use all eight conductors, don’t pay for magnetics for the other two pairs of wires—the RJ45 jack will be the same size and perhaps a bit cheaper.

如下所示，R7-R10是阻尼电阻。我根据其他参考设计估算它们的价值。它们对于防止电路中的过冲和响起是必要的。测试将必须揭示线路是否越过/不关闭/严重阻尼，并且值相应地调整了值。将发射对通过49.9Ω电阻拉到DVDD，并通过10Ω电阻连接到DVDD，并用22NF电容器将其解耦。接收对穿过阻尼电阻，遇到两个电容器。这对通过两个49.9Ω电阻绑在每个制造商建议的0.01 µF去耦电容器上，然后通过变压器绕组的中心水龙头将它们进一步拉到DVDD。

这Magjack我的Wiznet W5500实施的电路。

Wiznet W5500

从硬件的角度来看，Wiznet W5500是电路中非常简单的补充。必须包括外部晶体振荡器，并且需要六个左右的模拟解耦电容器 - 对于每个AVDD引脚。引脚43-45用于选择网络模式。如果有必要使用默认配置以外的其他功能，我将焊接垫添加了（事实证明我不需要更改模式）。

晶体振荡器制造商建议将铜从晶体下方移除。我使用地面倒入试图将晶体的输出与W5500 SCLK输入线分离，尽管可能没有必要。

Wiznet W5500示意图如上所述。

MSP430FR2633

MSP430FR2633是我一直在使用的最新微控制器，现在我将其用于一些项目（包括这个电容触摸项目）。如果您使用它很麻烦，我发现德州的乐器支持工程师E2E论坛在应用程序工程师回答大多数问题/请求的情况下。

MCU与MSP-FET程序员以及通过GCC，IAR或代码作曲家工作室。我喜欢使用此MCU的原因之一是因为它具有专用的电容触摸输入引脚。这意味着可以将按钮/交换机/滑块添加到控制面板中，仅以额外的PCB成本，或者如果电容触摸元件，MCU和其他所需的组件合并到单个PCB中，则无需支付任何费用。看到我的MSP430FR2633上的其他文章更多细节。

MSP430FR2633带有拒绝的重置电路的示意图如上所述。

PCB上的MCU实现非常简单 - 只需几个解耦电容器和重置电路即可。重置开关上的审阅电路遵循数据表建议。

电压电平转换器

虽然并非严格必要，但我在MSP430中脱离的UART数据上添加了两个逻辑级转换器。由于进入板的电源电压为5V，因此我也选择使数据信号5V。这是一个任意的选择，可以将它们保持在3.3V（这是MCU使用的电源电压）。

零件放置

除了Magjack和Power LED外，所有零件都放在板的顶部。Magjack远离其他部件，岩浆下方的铜已从板的所有层中取出，因此千斤顶内部的磁力不会影响电路的其他任何部分。差速度对以尽可能小的距离在设备的足迹外面路由。

Wiznet W5500及其所有支撑电路位于板的中心，三个未使用的焊桥垫可以在丝网屏幕桌的上方和左侧看到。MSP430FR2633与标头J2一起在Wiznet的右侧 - 它提供了四个电容式触摸引脚，一个DVDD引脚和三个GPIO引脚。这些是针对未来的用户界面面板，该面板容纳四个电容触摸垫和三个LED。除了差分轨迹外，还为每条数字信号线提供了测试垫。

项目PCB。点击放大。

有关更多信息，请参见下面的视频。

该子系统演示了如何潜在地整合工厂或家庭中的大量传感器和显示器，并使用MQTT在长距离内收集数据。

我们创建希望在您的设计中激发想法的项目。如果您希望我们考虑做出任何事情，请在下面发表评论。