本文描述了一個(gè)更大的模塊化傳感器系統(tǒng)的以太網(wǎng)連接子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)用于工業(yè)或智能家居傳感和監(jiān)控。我們將討論為此應(yīng)用開發(fā)的定制傳感器子系統(tǒng)。

為家庭或自動(dòng)化創(chuàng)建定制傳感器解決方案通常需要大量定制?？赡軒讉€(gè)制造商的各種傳感器被收集在一個(gè)電路板上，固件必須經(jīng)過設(shè)計(jì)，并創(chuàng)建一個(gè)用戶界面或儀表板。這并不是一項(xiàng)非常困難的工作，但它可能相當(dāng)乏味和耗時(shí)。定制方面也可能使其在許多用例中成本過高。

這個(gè)項(xiàng)目背后的想法是創(chuàng)建一個(gè)“超級(jí)簡單的傳感器系統(tǒng)”，允許各種各樣的輸入和輸出節(jié)點(diǎn)用一個(gè)盡可能少的電線和低升級(jí)/更換成本的共同協(xié)議連接在一起。這個(gè)子系統(tǒng)很有希望激發(fā)你的設(shè)計(jì)創(chuàng)意，但它不是一個(gè)市場準(zhǔn)備好的產(chǎn)品。

靈感來自于設(shè)計(jì)精妙的Makelokceron兒童益智玩具系列。多個(gè)傳感器和輸入（溫度、濕度、操縱桿、按鈕等）與各種輸出和接口（LED顯示屏、蜂鳴器等）連接，所有設(shè)備通過磁性彈簧式pogo引腳連接器連接。

項(xiàng)目框圖：每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過電源、接地和兩個(gè)UART連接連接到相鄰節(jié)點(diǎn)。

我項(xiàng)目中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都內(nèi)置了一個(gè)廉價(jià)的微控制器。傳感器或機(jī)械輸入數(shù)據(jù)通過適合傳感器的接口發(fā)送到微控制器(SPI公司 ,I2C ,可以，4-20mA等），然后微控制器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用接口（UART、USB等），以便傳輸?shù)较噜徆?jié)點(diǎn)。

在這種情況下，我選擇了通用異步收發(fā)器作為公共總線協(xié)議。從左側(cè)的相鄰節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，將來自當(dāng)前傳感器的數(shù)據(jù)添加到流中，然后將所有數(shù)據(jù)傳遞到右側(cè)的相鄰節(jié)點(diǎn)。

每個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)都添加到數(shù)據(jù)流中，可能有一個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)長度、一個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)字節(jié)和數(shù)據(jù)。想要擴(kuò)充系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者只需要設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)；這保留了設(shè)計(jì)的模塊化，允許設(shè)備目錄快速方便地連接起來。

數(shù)據(jù)以菊花鏈的方式不斷地從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到到達(dá)輸出節(jié)點(diǎn)。在那里，輸出設(shè)備（閃光警報(bào)、LCD顯示器、蜂鳴器等）讀取數(shù)據(jù)流中與它們相關(guān)的信息，并相應(yīng)地在整個(gè)時(shí)間內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)。

這對(duì)于一個(gè)三線接口（VDD、GND、Data）和一個(gè)UART總線來說已經(jīng)足夠了，但是需要將所有的輸入節(jié)點(diǎn)放在輸出節(jié)點(diǎn)之前。通過添加第二個(gè)UART總線，可以傳遞雙向信息，并且可以在任何配置中添加節(jié)點(diǎn)?；蛘?，第二行可用于微控制器軟件更新，作為心跳監(jiān)控器，或保留以供將來使用。

你可以用磁性pogo引腳連接器在你的設(shè)計(jì)中

如上面方框圖所示，Tx/Rx線（適用于UART0和UART1）延伸到板的對(duì)面。這有幾個(gè)原因。

首先，也許是最重要的，這允許同時(shí)編程/調(diào)試和使用。微控制器編程接口與UART0共享管腳（即編程信號(hào)和UART信號(hào)都被路由到同一物理管腳），因此，當(dāng)連接到調(diào)試器時(shí)，測試發(fā)生在電路板對(duì)面的接收和發(fā)送序列，要求來自UART1的兩個(gè)數(shù)據(jù)管腳中的一個(gè)位于板的兩側(cè)。

其次，它允許在三線制配置中使用單個(gè)UART總線（即，一側(cè)的電源、接地、Tx和另一側(cè)的電源、接地、Rx）。

最后，它可以簡化固件，允許使用同一總線接收和傳輸數(shù)據(jù)，而不是每次數(shù)據(jù)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)時(shí)從接收總線復(fù)制到單獨(dú)的傳輸總線。

隨著時(shí)間的推移，工廠地板上的傳感器和顯示器往往被忽視。數(shù)據(jù)必須從工廠樓層移動(dòng)到大樓的中心位置，或者可能穿過城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移到監(jiān)控位置。為了滿足這個(gè)需求，我選擇使用有線以太網(wǎng)連接。Cat5和Cat6布線通常已經(jīng)安裝在某個(gè)位置，可以在LAN中遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)連接到WAN時(shí)，可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞澜缛魏蔚胤?。MQTT協(xié)議是為M2M（機(jī)器到機(jī)器）通信而設(shè)計(jì)的，并且可以很容易地建立一個(gè)MQTT代理來將數(shù)據(jù)從接口節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到接口節(jié)點(diǎn)，同時(shí)使用TLS1.3條 .

一旦數(shù)據(jù)到達(dá)LAN或Internet的目的地，程序員就可以捕獲數(shù)據(jù)來創(chuàng)建圖形用戶界面，有時(shí)稱為鈥儀表板，管理員和控制器可以查看。不幸的是，隨著時(shí)間的推移，這些顯示也逐漸被忽視。當(dāng)前自動(dòng)化的趨勢是自動(dòng)文本，電子郵件或其他可以直接發(fā)送給員工的警報(bào)，如果員工沒有及時(shí)糾正錯(cuò)誤情況，請通知員工的直接主管。

這個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵部分要求我有兩個(gè)獨(dú)立的UART總線和一個(gè)以太網(wǎng)接口。對(duì)于以太網(wǎng)接口，我選擇了 葡萄酒W5500. 物理層（10層）和物理層（10層）實(shí)現(xiàn)了高度集成的物理層。我對(duì)TCP/IP協(xié)議棧、UDP、ARP、ICMP等沒有太多的經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)IC允許我在SPI-a協(xié)議上使用多達(dá)8個(gè)套接字。

我選擇了 MSP430FR2633作為微控制器。雖然MSP430FR2433也可以控制W5500，我知道我會(huì)有一些未使用的GPIO引腳，我喜歡創(chuàng)建一個(gè)低成本的選擇電容式觸摸控制面板未來。2433不支持電容式觸摸，所以我選擇了2633。項(xiàng)目中使用的所有其他IC都支持W5500和MSP430FR2633。

系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)5伏直流共軌。5V電源由一塊板產(chǎn)生，作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電源，然后每個(gè)板使用兩塊 TLV757P型LDO將5V軌道調(diào)節(jié)至3.3V（模擬電路）和3.3V（數(shù)字電路）。這是一個(gè)四層板，頂層和底層分別用于信號(hào)，第2層和第3層分別用于AVDD和GND。

電源部分原理圖

AVDD和DVDD線路的布線對(duì)這個(gè)4層板提出了挑戰(zhàn)。AVDD（顯示在下面的洋紅色）被選為電力平面網(wǎng)，因?yàn)檫@種安排似乎導(dǎo)致更容易，更清潔的路由。dvd必須在1、2和4層之間移動(dòng)，這并不理想。在每個(gè)過渡處，使用多個(gè)通孔來最小化阻抗。

上面顯示的是物理PCB，后面是布局的第1-4層。圖層2（AVDD）以洋紅色顯示，并且 DVD光盤以橙色顯示

幾乎所有硬連接到Internet的設(shè)備都有8P8C RJ45插孔。無論是內(nèi)置在插孔中還是非?？拷蹇锥加幸粋€(gè)脈沖變壓器。脈沖變壓器將集成電路與電纜電隔離。并消除了與接地條件相關(guān)聯(lián)的故障保護(hù)。變壓器還可以作為一個(gè)差分接收器來抑制共模噪聲，例如由大功率設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，這些干擾均勻地耦合到兩根緊密扭曲的信號(hào)線中。

電路集成的兩個(gè)選項(xiàng)是帶外部脈沖變壓器的RJ45插孔，或帶集成脈沖變壓器的RJ45插孔。集成選項(xiàng)通常被稱為“MagJack”，通常更容易使用，但稍微貴一些。您只需訪問四對(duì)電線中的兩對(duì)即可進(jìn)行10/100通信。另外兩對(duì)根本不用！當(dāng)我為這個(gè)項(xiàng)目選擇零件時(shí)，我沒有想到這一點(diǎn)，我拒絕了幾個(gè)建議的磁力千斤頂，因?yàn)樗鼈冎惶峁﹥蓪?duì)導(dǎo)線的通路，并且有六個(gè)腳的腳印——我需要一個(gè)8P8C插孔，有兩個(gè)發(fā)光二極管（每個(gè)發(fā)光二極管有獨(dú)立的陽極和陰極引腳），所以我在尋找12個(gè)或更多的腳印。嗚嗚！八根導(dǎo)線中只有四根被使用。這個(gè)故事的寓意是：如果你不打算全部使用8根導(dǎo)線，就不要為另外兩對(duì)導(dǎo)線支付磁學(xué)費(fèi)用，RJ45插孔的尺寸將相同，而且可能會(huì)便宜一點(diǎn)。

如下所示，R7-R10是阻尼電阻器。我根據(jù)其他參考設(shè)計(jì)估算了它們的價(jià)值。它們對(duì)于防止電路中的過沖和響鈴是必要的。測試必須揭示線路是否過度/不足/嚴(yán)重阻尼，并相應(yīng)調(diào)整數(shù)值。傳輸對(duì)通過49.9Ω的電阻拉到DVDD上，中心抽頭通過10Ω電阻器連接到DVDD，并與22nF電容器對(duì)地解耦。接收對(duì)通過阻尼電阻，在那里遇到兩個(gè)電容器。根據(jù)制造商的建議，該對(duì)通過兩個(gè)49.9Ω電阻器連接到一個(gè)0.01μF去耦電容器上，然后通過變壓器繞組的中心抽頭將其拉至DVDD。

這個(gè) MagJack 的WizNet W5500實(shí)現(xiàn)電路。

從硬件的角度來看，wiznet w5500是一個(gè)非常簡單的電路添加。必須包括一個(gè)外部晶體振蕩器和六個(gè)左右的模擬去耦電容器，每個(gè)AVDD管腳需要一個(gè)。引腳43-45用于選擇網(wǎng)絡(luò)模式。我包括了焊橋焊盤，如果有必要使用默認(rèn)配置以外的東西（事實(shí)證明我不需要改變模式）。

晶體振蕩器制造商建議從晶體正下方除去銅。我用地面澆口試圖將晶體的輸出與W5500 SCLK輸入線隔離，盡管這可能不是必要的。

WizNet原理圖如上所示。

MSP430FR2633是最新的微控制器，我一直在工作，我已經(jīng)使用它在一些項(xiàng)目現(xiàn)在(包括這個(gè)電容觸控項(xiàng)目). 如果你使用它有困難，我發(fā)現(xiàn)德州儀器公司支持工程師E2E論壇，應(yīng)用工程師對(duì)大多數(shù)問題/請求作出響應(yīng)。

MCU用 MSP-FET程序通過GCC、IAR或代碼編寫器工作室. 我喜歡使用這個(gè)MCU的原因之一是它有專用的電容式觸摸輸入引腳。這意味著按鈕/開關(guān)/滑塊可以添加到控制面板中，只需額外的PCB，或者如果電容式觸摸元件、MCU和其他所需的組件集成到單個(gè)PCB中，則不需要任何成本?？纯次业年P(guān)于MSP430FR2633的其他文章更多細(xì)節(jié)

MSP430FR2633帶去抖動(dòng)復(fù)位電路的原理圖如上圖所示。

PCB上的MCU實(shí)現(xiàn)非常簡單，只需要幾個(gè)去耦電容和復(fù)位電路。數(shù)據(jù)表遵循復(fù)位電路上的建議。

雖然不是絕對(duì)必要的，但我在MSP430的UART數(shù)據(jù)線中添加了兩個(gè)邏輯電平轉(zhuǎn)換器。由于輸入板的電源電壓是5V，所以我選擇將數(shù)據(jù)線信號(hào)設(shè)為5V。這是一個(gè)有點(diǎn)武斷的選擇，一個(gè)很好的理由可以使他們保持在3.3V（這是MCU使用的電源電壓）。

除了彈夾和電源指示燈外，所有部件都放在電路板的頂部。磁頭遠(yuǎn)離其他元件，并且磁頭下面的銅已經(jīng)從電路板的所有層中移除，這樣插孔內(nèi)的磁性物質(zhì)不會(huì)影響電路的任何其他部分。差分對(duì)以盡可能短的距離路由到設(shè)備的外部。

Wiznet W5500與所有支持電路一起位于電路板的中心，三個(gè)未使用的焊橋焊盤可以在絲網(wǎng)工作臺(tái)的上方和左側(cè)看到。MSP430FR2633位于WizNet的右側(cè)，與頭端J2一起提供四個(gè)電容式觸摸引腳、一個(gè)DVDD引腳和三個(gè)GPIO引腳。這些是為未來的用戶界面面板，包括四個(gè)電容式觸摸板和三個(gè)LED。除了差分記錄道外，每個(gè)數(shù)字信號(hào)線都提供了測試板。

正面PCB點(diǎn)擊放大