集成以太网接口的压力检测仪表设计与实现

韩冬林

（天津中德职业技术学院 天津 300350）

随着网络技术的发展，检测仪表的以太网接入功能已经越来越受到关注和重视[1]。以往在为检测系统提供以太网应用接入电路时，可选择的网络控制器都是专为个人计算机系统设计的。这类以太网控制器采用并行接口电路，不仅会大量占用检测仪表中单片机主控制器的硬件资源，还会显著降低单片机应用软件的执行效率[2]。美国Microchip公司的PIC18F97J60高性能单片机内部不仅嵌入了IEEE 802.3兼容的以太网控制器，集成了以太网介质访问控制MAC模块和物理层收发器PHY模块，而且还集成了一个用于实现快速数据吞吐的DMA模块，以及硬件IP校验和计算模块，实现了单片机控制系统与10/100/1000Base-T以太网单芯片无缝联网功能，为检测仪表的嵌入式以太网接口设计提供了一种全新的和高集成度的解决方案。基于此单片机，本文提出并实现了一种新型的集成以太网接口的压力检测仪表，为压力检测仪表的网络化提供了一种新的途径。

1 新型压力检测仪表的系统构成

本文设计的基于PIC18F97J60单片机的集成以太网接口的压力检测仪表如图1所示，由压力传感器芯片、信号调理电路、低通滤波器电路、PIC18F97J60单片机、以太网变压器和以太网端口等6部分构成。

图1 集成以太网接口的压力检测仪表系统框图Fig.1 Integrated Ethernet interface pressure testing instrument system block diagram

压力传感器的检测信号经信号调理电路放大并抑制掉共模电压成分后进入低通滤波器电路，滤波器电路将滤除掉混叠到信号调理路径中的噪声信号。PIC18F97J60单片机中的模数转换器将处理过的压力检测模拟量电压信号转换成数字量，在以太网协议栈软件的管理下，将压力检测数据通过单片机内部的以太网接口模块发送给以太网变压器，最终经RJ45以太网端口接入网络。

2 压力检测仪表的硬件设计

2.1 压力传感器信号调理电路设计

本文采用美国SenSym公司的压阻式压力传感器SCX015作为压力检测元件。该传感器采用惠斯通全桥配置进行电阻布线，相比单臂电桥或双臂电桥布线的压力传感器而言，提高了传感器的灵敏度[3]：当向四臂电桥施加正向差压时，作为响应，全桥配置的传感器有两臂变成压缩状态，而其余两臂则变为拉伸状态；当向传感器施加反向差压时，传感器的横膈膜在反方向上被拉紧并且处于压缩状态的传感器变为拉伸状态，与此同时处于拉伸状态的传感器则变成压缩状态。

压阻式压力传感器SCX015的调理电路如图2所示。为了生成单端输出信号VOUT，需要将两个来自传感器电桥的电压信号VIN1和VIN2相减，并将传感器的微弱信号放大，这样才能够匹配单片机A/D转换器的采样电压范围[4]。设计中采用两个仪表放大器MCP602实现了电压信号相减和放大功能，这两个MCP602分别接收了两路互为反向的传感器电桥电压输出信号，将它们相减并将单端信号进行了放大。相减处理能够抑制共模电压，放大处理能够对信号电平进行调理。

图2 压力传感器信号调理电路Fig.2 Pressure sensor signal conditioning circuit

压力传感器信号调理电路的传递函数为：

注意到此传递函数中在放大了输入信号的同时也放大了输入信号的共模电压VCM，在实际设计中采用将R1=R4和R2=R3的方法，就可以有效抑制掉传感器信号中共模电压的成分，此时的传递函数变为：

2.2 二阶Butterworth低通滤波器电路设计

低通滤波器最基本的硬件实现要求为每个极点配置一个电容和一个电阻，有源滤波器每两个极点配置一个放大器。如图3所示，通过使用一个放大器MCP606、3个电阻R3～R5和2个电容C1～C2，实现了二阶Butterworth低通滤波器电路。此滤波器的直流增益为负增益，并且可方便地通过改变R4和R3的比值进行调整。在单电源供电条件下使用时，此电路需要在放大器MCP606的同相输入端上接上一个参考电压VREF，设计中将一个10 kΩ的数字电位计与一个68.1 kΩ和一个 35.7 kΩ的精密电阻串联，实现了对滤波器电路的输出基准电平调整的功能。数字电位计的串行控制输入管脚CS、SCK、SI可以很方便地与PIC18F97J60单片机的输出IO管脚实现接口，对数字电位计的串行输入进行信号控制。当VDD电压为5 V时，数字电位计可将该滤波电路的输出基准电平调整为3.0～3.4 V。滤波器的截止频率设定为40 Hz，这将滤除在信号调理过程中混叠到信号路径中的电源干扰噪声。

图3 二阶Butterworth低通滤波器电路Fig.3 Second-order Butterworth low-pass filter circuit

2.3 以太网接口电路设计

PIC18F97J60单片机是一款内嵌以太网控制器的高性能单片机，只需使用两个以太网变压器和少量的标准无源器件就可以将PIC18F97J60单片机接入网络，实现了监测仪表与以太网接口的单片机控制器一体化设计。PIC18F97J60单片机的以太网控制器主要包括以下5个功能模块：

1）以太网物理层收发器PHY模块：用于对传输双绞线接口上的模拟数据进行编码和解码，并通过以太网硬件介质发送和接收数据[5]。

2）以太网介质访问控制MAC模块：实现了符合IEEE 802.3规范的MAC逻辑，并提供了用以控制物理层收发器PHY模块的接口管理功能[6]。

3）独立的8 kB以太网缓冲器模块：用于存储已经接收和将要发送的数据包。

4）判优器模块：用于在单片机内核、快速数据吞吐的DMA模块、发送和接收模块发出请求时，控制对独立的8 kB以太网缓冲器模块的访问。

5）寄存器接口模块：用作以太网模块和单片机特殊功能寄存器SFR之间命令和内部状态信号的译码器。

PIC18F97J60单片机以太网接口电路如图4所示。PIC18F97J60单片机具有4个以太网模块专用的信号接口引脚，这些引脚分别是：TPIN+（双绞线差分信号同相输入）、TPIN-（双绞线差分信号反相输入）、TPOUT+（双绞线差分信号同相输出）、TPOUT-（双绞线差分信号反相输出）。

图4 PIC18F97J60单片机以太网接口电路Fig.4 Ethernet interface circuit of PIC18F97J60

为了实现以太网联网功能，PIC18F97J60单片机以太网控制器内的PHY模块中的模拟电路要求在RBIAS和地之间外接一个2.26 kΩ的精密电阻，该电阻会影响TPOUT+/TPOUT-信号的幅度，应布置在尽可能靠近单片机芯片的位置，并避免与其他信号走线相邻，以防止容性噪声耦合到以太网引脚中。在 TPIN+/TPIN-和TPOUT+/TPOUT-引脚上，需要连接用于以太网的1:1中心抽头的网络变压器，当使能以太网模块时，两个TPOUT引脚会有持续的电流流入，当物理层收发器PHY模块在发送数据时，通过改变TPOUT+和TPOUT-的相对电流大小，将在以太网电缆上产生一个差分电压。

在电路设计中需特别注意：不要在接口的PHY端（即单片机的TPOUT引脚/TPIN引脚和以太网变压器CT之间）安放共模扼流器CMC，如果要使用CMC来减少EMI辐射，应将它安放在以太网变压器和RJ-45连接器的1、2引脚/3、6引脚之间，一方面是因为CMC器件的安放位置离信号端口越近对共模干扰的抑制效果越好，另一方面是因为以太网变压器CT在设计时就是要与以太网接口的PHY端直连的，如果在两者之间接入CMC器件，会造成信号波形的畸变。另外，以太网接口引脚TPIN+/TPIN-和TPOUT+/TPOUT-均需要使用2个49.9 Ω的精密电阻和一个0.1 μF的陶瓷电容来最大限度地减少反射信号。由于双绞线接口工作时需要相对较高的电流，因此所有接线都应该尽可能的短，以减少阻性损耗。

3 压力检测仪表的软件设计

本压力检测仪表软件采用C语言进行开发，应用程序包括初始化模块、模数转换模块、协议栈管理模块、TCP/IP协议传输模块、UDP协议传输模块。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 Main program flow chart

PIC18F97J60单片机上电复位后首先调用初始化模块，完成单片机通用I/O口的设置、单片机内部模数转换器和以太网控制器的初始化任务，然后进入主循环程序。在主循环程序中第一步先调用模数转换模块，读入压力检测数据，第二步调用协议栈管理模块，完成以太网控制器传输层和网络互联层的数据管理和协调任务，第三步根据网络协议的选择状态，分别完成基于TCP/IP协议或UDP协议的压力检测数据的网络传输功能。

4 压力检测仪表的实现

本文提出的集成以太网接口的压力检测仪表采用模块化设计方案，分别设计了单片机主控板与压力传感器信号板，以达到适配多种型号压力传感器芯片的目的。压力检测仪表的PCB电路板采用四层板结构设计，将与压力传感器信号处理有关的模拟信号地线和与单片机控制有关的数字信号地线隔离开，有效地避免了单片机执行以太网通讯任务时产生的噪声信号干扰压力传感器信号处理电路，保证了压力传感器信号经单片机模数采样及转换的精度。实现的集成以太网接口的压力检测仪表如图6所示。图6（a）和图6（b）分别是其外观及内部电路。

5 结 论

本文基于PIC18F97J60高性能单片机控制器，提出并实现了集成以太网接口的压力检测仪表，实现了高集成度的单芯片微控制器以太网联网功能。该压力监测仪表已经在某大型纺织设备制造厂得到了应用，经过工厂实际应用结果表明：该压力监测仪表可以直接接入10/100/1000Base-T以太网，配合以太网协议栈应用软件，实现了兼容TCP/IP协议（传输控制协议/网际协议）和UDP协议（用户数据报文协议）两种报文格式的压力检测数据实时在线读取与网络传输功能。嵌入式以太网接口技术是当前仪表技术领域里的一项高科技含量的共性技术，具有以太网接入功能的检测仪表可以直接与可编程控制器或工控机联网，检测仪表成为了网络中的智能节点，为分布式监控系统实现远程数据采集、数据集中处理、网络信息共享等高级应用提供了技术保障。

图6 压力检测仪表Fig.6 Pressure testing instrument

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