可用於化工安全監控的can總線傳感器節點的製作方法
2023-05-19 17:56:21
專利名稱：可用於化工安全監控的can總線傳感器節點的製作方法
技術領域：
本發明屬於無線傳感器網絡、混雜現場總線、嵌入式系統技術領域，具體涉及一種可用於化工安全監控的CAN總線傳感器節點。
背景技術：
隨著無線通信技術的發展，無線通信設備不斷成熟，成本也進一步的降低，為了解決工業環境及過程控制環境下的許多移動對象、旋轉對象以及危險環境對象的監測與控制問題，出現了一種混雜的有線/無線現場總線(hybrid wired/wireless field bus)的新技術。在工作環境較為惡劣、安全生產風險較高的化工企業，混雜現場總線技術可以隨作業現場進行部署，迅速地覆蓋所有工段。當現場工作人員攜帶無線傳感器節點時，還可以利用無線傳感器網絡的定位技術對工作人員進行實時定位，萬一發生事故可以對作業現場的工作人員在事故發生時刻的位置進行跟蹤，便於設計高效的應急救援方案。基於混雜現場總線技術的現代化化工安全監控系統包括ZigBee與CAN總線之間的有線/無線網關、基於ZigBee的無線傳感器節點、基於CAN總線的傳感器節點等。其中，CAN總線傳感器節點可提供遠距離、可靠、實時的現場環境參數與設備參數監測服務。由於化工企業生產環境較惡劣，CAN總線傳感器節點的設計要充分考慮防潮、防腐、防爆、成本、功耗以及本質安全等因素。尤其是在事故發生後的生存能力要強，因為這是應急救援過程中的信息生命線。
發明內容
本發明提供了一種基於CAN總線技術、可用於化工安全監控的CAN總線傳感器節點。該節點可用於監測化工工藝現場的環境參數與設備參數。本發明採取的具體技術方案
可用於化工安全監控的CAN總線傳感器節點包括電源管理模塊、環境參數採集模塊、 CAN傳輸模塊、處理器模塊。所述電源管理模塊包括7. 4V鋰電池、5V電壓轉換電路、3. 3V電壓轉換電路、1. 8V 電壓轉換電路。鋰電池JS-7. 4V-2. 2AH為5V電壓轉換電路提供電源；5V電壓轉換電路的核心為SPX1117M3-5. 0低壓差線性穩壓電源晶片，其輸出供給3. 3V電壓轉換電路、1. 8V 電壓轉換電路和CAN傳輸模塊；3. 3V電壓轉換電路的核心為SPX1117M3-3. 3低壓差線性穩壓電源晶片，其輸出供給處理器模塊和環境參數採集模塊；1. 8V電壓轉換電路的核心是 SPX1117M3-1. 8低壓差線性穩壓電源晶片，其輸出供給處理器模塊。所述環境參數採集模塊包括溫溼度採集單元和氣壓採集單元。溫溼度採集單元 SHT21數字式溫溼度傳感器和處理器模塊Whter — htegrated Circuit(I2C)總線相連， 電源端和3. 3V電壓轉換電路相連；氣壓採集單元MS5607數字式氣壓計和處理器模塊的串行外設接口 Gerial Peripheral hterface，SPI)相連，電源端和3. 3V電壓轉換電路相連。所述CAN傳輸模塊包括光耦隔離單元、CAN收發單元和電源隔離單元。光耦隔離單元的核心為高速光耦6N137，其一端和處理器的CAN接口連接，另一端和CAN收發單元連接，電源端和5V電壓轉換電路以及電源隔離單元連接；CAN收發單元的CAN總線信號端和終端電阻連接，電源端和電源隔離單元連接；電源隔離單元的核心為電源隔離器件B0505， 其輸入端和5V電壓轉換電路連接。所述處理器模塊以處理器LPC2109FBD64/01為核心，在其外圍分別搭建了復位電路、晶振電路、JTAG電路以及ISP電路。並且對處理器的各電源引腳進行了退藕處理，復位電路採用專用的復位晶片MAX811S。處理器電源端分別和3. 3V電壓轉換電路、1. 8V電壓轉換電路相連；處理器的CAN接口與CAN收發模塊連接；SPI接口和QIYA氣壓採集單元連接；1 接口和溫溼度採集單元連接；處理器電源端與3. 3V電壓轉換電路、1. 8V電壓轉換電路連接。和現有節點設備相比，該節點設備具有如下優點
1、傳輸距離遠、實時性強。該節點設備採用CAN現場總線協議，可實現長距離、實時採集和傳輸多種環境參數(包括溫度、溼度、氣壓等)。2、數據處理速度快，升級潛力大。本發明採用ARM7內核的高性能處理器，相比傳統設備數據處理能力大大提高，並且選用的處理器外設豐富，具有極大升級潛力。3、設備運行功耗低。節點設備的軟硬體都採用低功耗設計，能夠長時間運行。4、設備穩定性、可靠性高。該設備採用專用工業級復位晶片以保證電路的可靠性能；CAN傳輸模塊採用電源隔離和光耦隔離的設計，提高節點的穩定性和安全性。5、設備適應性強。節點設備各部件均採用符合工業級標準的器件，在惡劣環境下具有較強的適應性，並充分考慮防潮、防腐、防爆、及本質安全等因素，採用防護等級IP66、 防爆等級Ex ia IICT6的設計，使得事故發生後的設備生存能力強。
圖1為本發明中電源管理模塊電路原理圖； 圖2為本發明中環境參數採集模塊電路原理圖； 圖3為本發明中CAN傳輸模塊電路原理圖4為本發明中的處理器模塊電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步描述。如圖1所示，電源管理模塊包括7. 4V鋰電池、5V電壓轉換電路、3. 3V電壓轉換電路、1.8V電壓轉換電路。鋰電池型號為JS-7.4V-2. 2AH，標稱容量2. 2AH，其正極和單刀雙擲開關Sl的2引腳相連，負極接地。單刀雙擲開關Sl的3引腳懸空，1引腳和保護二極體 1N4007陽極相連，保護二極體1N4007的陰極和電源晶片U2的3引腳相連。5V電壓轉換電路中鉭電容C23的正極和電源晶片U2的3引腳相連，鉭電容C23的負極接地；電源晶片U2 的1引腳接地，2引腳和鉭電容C24的正極、電源指示燈DSl的陽極相連；鉭電容C24的負極、電源指示燈DSl的陰極均接地；電源晶片U2的2引腳分別和電源晶片U3的3引腳、電
5源晶片U4的3引腳相連。3. 3V電壓轉換電路中電容C7的一端和電源晶片U3的3引腳相連，另一端接地；電源晶片U3的1引腳接地，2引腳和鉭電容C9的正極、電源指示燈DS2的陽極相連；鉭電容C9的負極、電源指示燈DS2的陰極均接地。1. 8V電壓轉換電路中電容C8 的一端和電源晶片U4的3引腳相連，另一端接地；電源晶片U4的1引腳接地，2引腳和鉭電容ClO的正極、電源指示燈DS3陽極相連；鉭電容ClO的負極、電源指示燈DS3的陰極均接地。如圖2所示，環境參數採集模塊包括溫溼度採集單元和氣壓採集單元。溫溼度採集單元的核心數字式溫溼度傳感器Ull的1引腳和處理器的沈弓丨腳相連，6引腳和處理器的22引腳相連；數字式溫溼度傳感器Ull的5引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，2引腳接地，電容C32的一端和數字式溫溼度傳感器Ull的5引腳相連，另一端接地；數字式溫溼度傳感器Ull的3、4引腳均懸空。氣壓採集單元核心數字式氣壓傳感器UlO的6引腳和處理器的30引腳相連、7引腳和處理器的29引腳相連、8引腳和處理器的27引腳相連；數字式氣壓傳感器UlO的4引腳、5引腳均和處理器的1引腳相連；數字式氣壓傳感器UlO的1引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，2引腳、3引腳均接地；電容C12的一端和數字式氣壓傳感器 UlO的1引腳相連，另一端和數字式氣壓傳感器UlO的2引腳相連。如圖3所示，CAN傳輸模塊包括光耦隔離單元、CAN收發單元和5V電源隔離單元。 光耦隔離單元的核心為兩個高速光耦隔離器件6N137即U7和U8。光耦U7的2引腳和5V 電壓轉換電路輸出端相連；光耦U7的3引腳串聯一個470 Ω的電阻R7後和處理器CAN接口 10引腳連接；光耦U7的1、4引腳懸空；光耦U7的5引腳和5V電源隔離單元中U9的3 引腳相連；光耦U7的7、8引腳和5V電源隔離單元中U9的4引腳相連，電阻R5的一端和光耦U7的7、8引腳相連，另外一端和光耦U7的6引腳相連；光耦U7的6引腳和CAN收發器 U6的1引腳相連。CAN收發單元的核心是TJA1040T高速CAN收發器U6，其3引腳和5V電源隔離單元中U9的4引腳相連；CAN收發器U6的2引腳和5V電源隔離單元中U9的3引腳相連；CAN收發器U6的5、8引腳懸空，6引腳、7引腳通過接插件J2和終端電阻R4相連。 終端電阻R4的一端和接插件J2的2引腳相連，另一端和CAN收發器U6的7引腳相連；接插件J2的1引腳和CAN收發器的6引腳相連；CAN收發器的4引腳串聯一個470 Ω的電阻 R6後和光耦U8的3引腳相連。光耦U8的2引腳和5V電源隔離單元中U9的4引腳相連； 光耦U8的1、4引腳懸空；光耦U8的7、8引腳和5V電壓轉換電路相連，電阻R8的一端和光耦U8的7、8引腳相連，另一端和光耦U8的6引腳相連；光耦U8的6引腳和處理器的CAN 接口 9引腳相連；光耦U8的5引腳接地。電源隔離單元中U9的2引腳和5V電壓轉換電路相連，1引腳接地；電容C12的一端和U9的3引腳相連，電容C12另一端和U9的4引腳相連；電阻R9 —端U9的3引腳相連，電阻R9的另一端和U9的4引腳相連。如圖4所示，處理器模塊的核心為處理器U1，還包括復位電路、晶振電路、JTAG電路、ISP電路和退藕電容。處理器模塊的核心處理器Ul的57引腳和復位晶片U5的2弓丨腳相連。復位晶片U5的1引腳接地，4引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，電容Cll的一端和復位晶片的1引腳連接，另一端和復位晶片的4引腳相連；復位晶片的3引腳和復位開關S2 的一端，復位開關S2的另一端接地。處理器Ul的61引腳、62引腳分別和晶振電路相連。 晶振電路中晶振Yl的兩端並聯一個電阻R3使系統更容易起振；晶振電路中電容C1、C2的一端分別和晶振相連，另一端均接地。處理器的JTAG接口和接插件JPl相連，其中處理器的20引腳和接插件JPl的3引腳相連，24引腳和接插件JPl的11引腳相連，52引腳和接插件JPl的7引腳相連，56引腳和接插件JPl的9引腳相連，57引腳和接插件JPl的15引腳相連，60引腳和接插件JPl的5引腳相連，64引腳和接插件JPl的13引腳相連；接插件 JPl的1引腳、2引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，17引腳、19引腳均懸空，其餘引腳均接地； 電阻R2的一端和接插件JPl的11引腳相連，另一端接地。處理器ISP接口 41引腳和接插件JP2的1引腳相連，接插件JP2的2引腳接地；電阻Rl的一端和接插件JP2的1引腳相連，電阻Rl的另外一端和3. 3V電壓轉換電路相連。退藕電容部分中，電容C16的一端和處理器的17引腳相連，另一端接地；電容C17的一端和處理器的49引腳相連，另一端接地；電容C18的一端和處理器的63弓丨腳相連，另一端接地；電容C19的一端和處理器的7引腳相連，另一端接地；電容C20的一端和處理器的23引腳相連，另一端接地；電容C21的一端和處理器的43引腳相連，另一端接地；電容C22的一端和處理器的51引腳相連，另一端接地。本發明的工作過程為鋰電池提供的7. 4V電源電壓通過5V電壓轉換電路輸出5V 電壓，為CAN傳輸模塊、3. 3V電壓轉換電路和1. 8V電壓轉換電路提供電源；3. 3V電壓轉換電路為處理器模塊和環境參數採集模塊提供電源；1. 8V電壓轉換電路為處理器模塊提供電源。整個系統通斷由單刀雙擲開關Sl控制。節點設備完成一次數據採集和發送的過程如下首先，處理器發送命令啟動環境參數採集模塊採集相應的環境參數，處理器等待參數採集完畢後通過SPI或1 接口電路讀取相應參數；然後，處理器對採集到的環境參數做適當處理；接著，處理器通過CAN接口將數據發送至CAN傳輸模塊；最後，CAN傳輸模塊將數據發送至CAN總線。本發明提供了一種可用於化工安全監控的CAN總線傳感器節點，能為化工等高危企業提供遠距離、可靠、實時的現場環境參數與設備參數監測服務。
權利要求
1.可用於化工安全監控的CAN總線傳感器節點，包括電源管理模塊、環境參數採集模塊、CAN傳輸模塊和處理器模塊，其特徵在於所述的電源管理模塊包括7. 4V鋰電池、5V電壓轉換電路、3. 3V電壓轉換電路、1. 8V電壓轉換電路；鋰電池正極和單刀雙擲開關Sl的2引腳相連，負極接地；單刀雙擲開關Sl的 3引腳懸空，1引腳和保護二極體1N4007陽極相連，保護二極體1N4007的陰極和電源晶片 U2的3引腳相連；5V電壓轉換電路中鉭電容C23的正極和電源晶片U2的3引腳相連，鉭電容C23的負極接地；電源晶片U2的1引腳接地，2引腳和鉭電容C24的正極、電源指示燈 DSl的陽極相連；鉭電容CM的負極、電源指示燈DSl的陰極均接地；電源晶片U2的2引腳分別和電源晶片U3的3引腳、電源晶片U4的3引腳相連；3. 3V電壓轉換電路中電容C7的一端和電源晶片U3的3引腳相連，另一端接地；電源晶片U3的1引腳接地，2引腳和鉭電容C9的正極、電源指示燈DS2的陽極相連；鉭電容C9的負極、電源指示燈DS2的陰極均接地；1. 8V電壓轉換電路中電容C8的一端和電源晶片U4的3引腳相連，另一端接地；電源晶片U4的1弓丨腳接地，2弓丨腳和鉭電容ClO的正極、電源指示燈DS3陽極相連；鉭電容ClO的負極、電源指示燈DS3的陰極均接地；所述的環境參數採集模塊包括溫溼度採集單元和氣壓採集單元；溫溼度採集單元的核心數字式溫溼度傳感器Ull的1引腳和處理器的沈引腳相連，6引腳和處理器的22弓丨腳相連；數字式溫溼度傳感器Ull的5引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，2引腳接地，電容C32 的一端和數字式溫溼度傳感器Ull的5引腳相連，另一端接地；數字式溫溼度傳感器Ull的 3、4引腳均懸空；氣壓採集單元核心數字式氣壓傳感器UlO的6引腳和處理器的30引腳相連、7引腳和處理器的四弓丨腳相連、8引腳和處理器的27引腳相連；數字式氣壓傳感器UlO 的4引腳、5引腳均和處理器的1引腳相連；數字式氣壓傳感器UlO的1引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，2引腳、3引腳均接地；電容C12的一端和數字式氣壓傳感器UlO的1引腳相連，另一端和數字式氣壓傳感器UlO的2引腳相連；所述的CAN傳輸模塊包括光耦隔離單元、CAN收發單元和5V電源隔離單元；光耦隔離單元的核心為兩個高速光耦隔離器件6W37即U7和U8 ；光耦U7的2引腳和5V電壓轉換電路輸出端相連；光耦U7的3引腳串聯一個470 Ω的電阻R7後和處理器CAN接口 10引腳連接；光耦U7的1、4引腳懸空；光耦U7的5引腳和5V電源隔離單元中U9的3引腳相連；光耦U7的7、8引腳和5V電源隔離單元中U9的4引腳相連，電阻R5的一端和光耦U7的7、8 引腳相連，另外一端和光耦U7的6引腳相連；光耦U7的6引腳和CAN收發器U6的1引腳相連；CAN收發單元的核心是TJA1040T高速CAN收發器TO，其3引腳和5V電源隔離單元中 U9的4引腳相連；CAN收發器U6的2引腳和5V電源隔離單元中U9的3引腳相連；CAN收發器TO的5、8引腳懸空，6引腳、7引腳通過接插件J2和終端電阻R4相連；終端電阻R4的一端和接插件J2的2引腳相連，另一端和CAN收發器U6的7引腳相連；接插件J2的1引腳和CAN收發器的6引腳相連；CAN收發器的4引腳串聯一個470 Ω的電阻R6後和光耦U8 的3引腳相連；光耦U8的2引腳和5V電源隔離單元中U9的4引腳相連；光耦U8的1、4引腳懸空；光耦U8的7、8引腳和5V電壓轉換電路相連，電阻R8的一端和光耦U8的7、8引腳相連，另一端和光耦U8的6引腳相連；光耦U8的6引腳和處理器的CAN接口 9引腳相連； 光耦U8的5引腳接地；電源隔離單元中U9的2引腳和5V電壓轉換電路相連，1引腳接地； 電容C12的一端和U9的3引腳相連，電容C12另一端和U9的4引腳相連；電阻R9 —端U9的3引腳相連，電阻R9的另一端和U9的4引腳相連；所述的處理器模塊的核心為處理器U1，還包括復位電路、晶振電路、JTAG電路、ISP電路和退藕電容；處理器模塊的核心處理器Ul的57引腳和復位晶片U5的2引腳相連；復位晶片U5的1引腳接地，4引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，電容Cll的一端和復位晶片的1 引腳連接，另一端和復位晶片的4引腳相連；復位晶片的3引腳和復位開關S2的一端，復位開關S2的另一端接地；處理器Ul的61引腳、62引腳分別和晶振電路相連；晶振電路中晶振Yl的兩端並聯一個電阻R3使系統更容易起振；晶振電路中電容Cl、C2的一端分別和晶振相連，另一端均接地；處理器的JTAG接口和接插件JPl相連，其中處理器的20引腳和接插件JPl的3引腳相連，24引腳和接插件JPl的11引腳相連，52引腳和接插件JPl的7引腳相連，56引腳和接插件JPl的9引腳相連，57引腳和接插件JPl的15引腳相連，60引腳和接插件JPl的5引腳相連，64引腳和接插件JPl的13引腳相連；接插件JPl的1引腳、2 引腳和3. 3V電壓轉換電路相連，17引腳、19引腳均懸空，其餘引腳均接地；電阻R2的一端和接插件JPl的11引腳相連，另一端接地；處理器ISP接口 41引腳和接插件JP2的1引腳相連，接插件JP2的2引腳接地；電阻Rl的一端和接插件JP2的1引腳相連，電阻Rl的另外一端和3. 3V電壓轉換電路相連；退藕電容部分中，電容C16的一端和處理器的17引腳相連，另一端接地；電容C17的一端和處理器的49引腳相連，另一端接地；電容C18的一端和處理器的63引腳相連，另一端接地；電容C19的一端和處理器的7引腳相連，另一端接地； 電容C20的一端和處理器的23引腳相連，另一端接地；電容C21的一端和處理器的43引腳相連，另一端接地；電容C22的一端和處理器的51引腳相連，另一端接地。
全文摘要
本發明涉及一種可用於化工安全監控的CAN總線傳感器節點。本發明包括電源管理模塊、環境參數採集模塊、CAN傳輸模塊和處理器模塊。電源管理模塊包括7.4V鋰電池、5V電壓轉換電路、3.3V電壓轉換電路、1.8V電壓轉換電路。環境參數採集模塊包括溫溼度採集單元和氣壓採集單元。CAN傳輸模塊包括光耦隔離單元、CAN收發單元和電源隔離單元。處理器模塊以處理器LPC2109FBD64/01為核心，在其外圍分別搭建了復位電路、晶振電路、JTAG電路以及ISP電路。本發明傳輸距離遠、實時性強。
文檔編號H04L12/40GK102215151SQ20111013646
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月25日 優先權日2011年5月25日
發明者吳斌, 蔣鵬 申請人:杭州電子科技大學