本文描述了一個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)。

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

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

靈感來自于設(shè)計精妙的Makelokceron兒童益智玩具系列。多個傳感器和輸入（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。

項目框圖：每個節(jié)點通過電源、接地和兩個UART連接連接到相鄰節(jié)點。

我項目中的每個節(jié)點都內(nèi)置了一個廉價的微控制器。傳感器或機械輸入數(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。

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。

每個輸入節(jié)點都添加到數(shù)據(jù)流中，可能有一個字節(jié)標(biāo)識數(shù)據(jù)長度、一個節(jié)點標(biāo)識字節(jié)和數(shù)據(jù)。想要擴充系統(tǒng)的設(shè)計者只需要設(shè)計一個節(jié)點；這保留了設(shè)計的模塊化，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節(jié)點傳遞到下一個節(jié)點，直到到達輸出節(jié)點。在那里，輸出設(shè)備（閃光警報、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)地在整個時間內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)。

這對于一個三線接口（VDD、GND、Data）和一個UART總線來說已經(jīng)足夠了，但是需要將所有的輸入節(jié)點放在輸出節(jié)點之前。通過添加第二個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?；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)計中

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

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

其次，它允許在三線制配置中使用單個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)進入節(jié)點時從接收總線復(fù)制到單獨的傳輸總線。

隨著時間的推移，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)安裝在某個位置，可以在LAN中遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)連接到WAN時，可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞澜缛魏蔚胤?。MQTT協(xié)議是為M2M（機器到機器）通信而設(shè)計的，并且可以很容易地建立一個MQTT代理來將數(shù)據(jù)從接口節(jié)點移動到接口節(jié)點，同時使用TLS1.3條 .

一旦數(shù)據(jù)到達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，有時稱為鈥儀表板，管理員和控制器可以查看。不幸的是，隨著時間的推移，這些顯示也逐漸被忽視。當(dāng)前自動化的趨勢是自動文本，電子郵件或其他可以直接發(fā)送給員工的警報，如果員工沒有及時糾正錯誤情況，請通知員工的直接主管。

這個項目的關(guān)鍵部分要求我有兩個獨立的UART總線和一個以太網(wǎng)接口。對于以太網(wǎng)接口，我選擇了 葡萄酒W5500. 物理層（10層）和物理層（10層）實現(xiàn)了高度集成的物理層。我對TCP/IP協(xié)議棧、UDP、ARP、ICMP等沒有太多的經(jīng)驗，這個IC允許我在SPI-a協(xié)議上使用多達8個套接字。

我選擇了 MSP430FR2633作為微控制器。雖然MSP430FR2433也可以控制W5500，我知道我會有一些未使用的GPIO引腳，我喜歡創(chuàng)建一個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。項目中使用的所有其他IC都支持W5500和MSP430FR2633。

系統(tǒng)中的每個節(jié)點共享一個5伏直流共軌。5V電源由一塊板產(chǎn)生，作為整個網(wǎng)絡(luò)的電源，然后每個板使用兩塊 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）。這是一個四層板，頂層和底層分別用于信號，第2層和第3層分別用于AVDD和GND。

電源部分原理圖

AVDD和DVDD線路的布線對這個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)，因為這種安排似乎導(dǎo)致更容易，更清潔的路由。dvd必須在1、2和4層之間移動，這并不理想。在每個過渡處，使用多個通孔來最小化阻抗。

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€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。變壓器還可以作為一個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線中。

電路集成的兩個選項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。您只需訪問四對電線中的兩對即可進行10/100通信。另外兩對根本不用！當(dāng)我為這個項目選擇零件時，我沒有想到這一點，我拒絕了幾個建議的磁力千斤頂，因為它們只提供兩對導(dǎo)線的通路，并且有六個腳的腳印——我需要一個8P8C插孔，有兩個發(fā)光二極管（每個發(fā)光二極管有獨立的陽極和陰極引腳），所以我在尋找12個或更多的腳印。嗚嗚！八根導(dǎo)線中只有四根被使用。這個故事的寓意是：如果你不打算全部使用8根導(dǎo)線，就不要為另外兩對導(dǎo)線支付磁學(xué)費用，RJ45插孔的尺寸將相同，而且可能會便宜一點。

如下所示，R7-R10是阻尼電阻器。我根據(jù)其他參考設(shè)計估算了它們的價值。它們對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電容器對地解耦。接收對通過阻尼電阻，在那里遇到兩個電容器。根據(jù)制造商的建議，該對通過兩個49.9Ω電阻器連接到一個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 MagJack 的WizNet W5500實現(xiàn)電路。

從硬件的角度來看，wiznet w5500是一個非常簡單的電路添加。必須包括一個外部晶體振蕩器和六個左右的模擬去耦電容器，每個AVDD管腳需要一個。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)使用它在一些項目現(xiàn)在(包括這個電容觸控項目). 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帶去抖動復(fù)位電路的原理圖如上圖所示。

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

雖然不是絕對必要的，但我在MSP430的UART數(shù)據(jù)線中添加了兩個邏輯電平轉(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)線信號設(shè)為5V。這是一個有點武斷的選擇，一個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)不會影響電路的任何其他部分。差分對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，三個未使用的焊橋焊盤可以在絲網(wǎng)工作臺的上方和左側(cè)看到。MSP430FR2633位于WizNet的右側(cè)，與頭端J2一起提供四個電容式觸摸引腳、一個DVDD引腳和三個GPIO引腳。這些是為未來的用戶界面面板，包括四個電容式觸摸板和三個LED。除了差分記錄道外，每個數(shù)字信號線都提供了測試板。

正面PCB點擊放大