集成以太網接口的壓力檢測儀表設計與實現

韓冬林

（天津中德職業技術學院 天津 300350）

隨著網絡技術的發展，檢測儀表的以太網接入功能已經越來越受到關注和重視[1]。以往在為檢測系統提供以太網應用接入電路時，可選擇的網絡控制器都是專為個人計算機系統設計的。這類以太網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行效率[2]。美國Microchip公司的PIC18F97J60高性能單片機內部不僅嵌入了IEEE 802.3兼容的以太網控制器，集成了以太網介質訪問控制MAC模塊和物理層收發器PHY模塊，而且還集成了一個用于實現快速數據吞吐的DMA模塊，以及硬件IP校驗和計算模塊，實現了單片機控制系統與10/100/1000Base-T以太網單芯片無縫聯網功能，為檢測儀表的嵌入式以太網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，本文提出并實現了一種新型的集成以太網接口的壓力檢測儀表，為壓力檢測儀表的網絡化提供了一種新的途徑。

1 新型壓力檢測儀表的系統構成

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

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

壓力傳感器的檢測信號經信號調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理路徑中的噪聲信號。PIC18F97J60單片機中的模數轉換器將處理過的壓力檢測模擬量電壓信號轉換成數字量，在以太網協議棧軟件的管理下，將壓力檢測數據通過單片機內部的以太網接口模塊發送給以太網變壓器，最終經RJ45以太網端口接入網絡。

2 壓力檢測儀表的硬件設計

2.1 壓力傳感器信號調理電路設計

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，而其余兩臂則變為拉伸狀態；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的傳感器變為拉伸狀態，與此同時處于拉伸狀態的傳感器則變成壓縮狀態。

壓阻式壓力傳感器SCX015的調理電路如圖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，放大處理能夠對信號電平進行調理。

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

壓力傳感器信號調理電路的傳遞函數為：

注意到此傳遞函數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，此時的傳遞函數變為：

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的數字電位計與一個68.1 kΩ和一個 35.7 kΩ的精密電阻串聯，實現了對濾波器電路的輸出基準電平調整的功能。數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管腳實現接口，對數字電位計的串行輸入進行信號控制。當VDD電壓為5 V時，數字電位計可將該濾波電路的輸出基準電平調整為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 以太網接口電路設計

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

1）以太網物理層收發器PHY模塊：用于對傳輸雙絞線接口上的模擬數據進行編碼和解碼，并通過以太網硬件介質發送和接收數據[5]。

2）以太網介質訪問控制MAC模塊：實現了符合IEEE 802.3規范的MAC邏輯，并提供了用以控制物理層收發器PHY模塊的接口管理功能[6]。

3）獨立的8 kB以太網緩沖器模塊：用于存儲已經接收和將要發送的數據包。

4）判優器模塊：用于在單片機內核、快速數據吞吐的DMA模塊、發送和接收模塊發出請求時，控制對獨立的8 kB以太網緩沖器模塊的訪問。

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

PIC18F97J60單片機以太網接口電路如圖4所示。PIC18F97J60單片機具有4個以太網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單片機以太網接口電路Fig.4 Ethernet interface circuit of PIC18F97J60

為了實現以太網聯網功能，PIC18F97J60單片機以太網控制器內的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引腳中。在 TPIN+/TPIN-和TPOUT+/TPOUT-引腳上，需要連接用于以太網的1:1中心抽頭的網絡變壓器，當使能以太網模塊時，兩個TPOUT引腳會有持續的電流流入，當物理層收發器PHY模塊在發送數據時，通過改變TPOUT+和TPOUT-的相對電流大小，將在以太網電纜上產生一個差分電壓。

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變壓器CT在設計時就是要與以太網接口的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，應用程序包括初始化模塊、模數轉換模塊、協議棧管理模塊、TCP/IP協議傳輸模塊、UDP協議傳輸模塊。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用初始化模塊，完成單片機通用I/O口的設置、單片機內部模數轉換器和以太網控制器的初始化任務，然后進入主循環程序。在主循環程序中第一步先調用模數轉換模塊，讀入壓力檢測數據，第二步調用協議棧管理模塊，完成以太網控制器傳輸層和網絡互聯層的數據管理和協調任務，第三步根據網絡協議的選擇狀態，分別完成基于TCP/IP協議或UDP協議的壓力檢測數據的網絡傳輸功能。

4 壓力檢測儀表的實現

本文提出的集成以太網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字信號地線隔離開，有效地避免了單片機執行以太網通訊任務時產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單片機模數采樣及轉換的精度。實現的集成以太網接口的壓力檢測儀表如圖6所示。圖6（a）和圖6（b）分別是其外觀及內部電路。

5 結 論

本文基于PIC18F97J60高性能單片機控制器，提出并實現了集成以太網接口的壓力檢測儀表，實現了高集成度的單芯片微控制器以太網聯網功能。該壓力監測儀表已經在某大型紡織設備制造廠得到了應用，經過工廠實際應用結果表明：該壓力監測儀表可以直接接入10/100/1000Base-T以太網，配合以太網協議棧應用軟件，實現了兼容TCP/IP協議（傳輸控制協議/網際協議）和UDP協議（用戶數據報文協議）兩種報文格式的壓力檢測數據實時在線讀取與網絡傳輸功能。嵌入式以太網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網，檢測儀表成為了網絡中的智能節點，為分布式監控系統實現遠程數據采集、數據集中處理、網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

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