CN102215151A - 可用于化工安全监控的can总线传感器节点 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可用于化工安全监控的CAN总线传感器节点。本发明包括电源管理模块、环境参数采集模块、CAN传输模块和处理器模块。电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元。CAN传输模块包括光耦隔离单元、CAN收发单元和电源隔离单元。处理器模块以处理器LPC2109FBD64/01为核心，在其外围分别搭建了复位电路、晶振电路、JTAG电路以及ISP电路。本发明传输距离远、实时性强。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器网络、混杂现场总线、嵌入式系统技术领域，具体涉及一种可用于化工安全监控的CAN总线传感器节点。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线通信设备不断成熟，成本也进一步的降低，为了解决工业环境及过程控制环境下的许多移动对象、旋转对象以及危险环境对象的监测与控制问题，出现了一种混杂的有线/无线现场总线（hybrid wired/wireless field bus）的新技术。
在工作环境较为恶劣、安全生产风险较高的化工企业，混杂现场总线技术可以随作业现场进行部署，迅速地覆盖所有工段。当现场工作人员携带无线传感器节点时，还可以利用无线传感器网络的定位技术对工作人员进行实时定位，万一发生事故可以对作业现场的工作人员在事故发生时刻的位置进行跟踪，便于设计高效的应急救援方案。基于混杂现场总线技术的现代化化工安全监控系统包括ZigBee与CAN总线之间的有线/无线网关、基于ZigBee的无线传感器节点、基于CAN总线的传感器节点等。
其中，CAN总线传感器节点可提供远距离、可靠、实时的现场环境参数与设备参数监测服务。由于化工企业生产环境较恶劣，CAN总线传感器节点的设计要充分考虑防潮、防腐、防爆、成本、功耗以及本质安全等因素。尤其是在事故发生后的生存能力要强，因为这是应急救援过程中的信息生命线。
发明内容
本发明提供了一种基于CAN总线技术、可用于化工安全监控的CAN总线传感器节点。该节点可用于监测化工工艺现场的环境参数与设备参数。
本发明采取的具体技术方案：
可用于化工安全监控的CAN总线传感器节点包括电源管理模块、环境参数采集模块、CAN传输模块、处理器模块。
所述电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。锂电池JS-7.4V-2.2AH为5V电压转换电路提供电源；5V电压转换电路的核心为SPX1117M3-5.0低压差线性稳压电源芯片，其输出供给3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路和CAN传输模块；3.3V电压转换电路的核心为SPX1117M3-3.3低压差线性稳压电源芯片，其输出供给处理器模块和环境参数采集模块；1.8V电压转换电路的核心是SPX1117M3-1.8低压差线性稳压电源芯片，其输出供给处理器模块。
所述环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元。温湿度采集单元SHT21数字式温湿度传感器和处理器模块的Inter－Integrated Circuit(I2C)总线相连，电源端和3.3V电压转换电路相连；气压采集单元MS5607数字式气压计和处理器模块的串行外设接口 (Serial Peripheral Interface，SPI)相连，电源端和3.3V电压转换电路相连。
所述CAN传输模块包括光耦隔离单元、CAN收发单元和电源隔离单元。光耦隔离单元的核心为高速光耦6N137，其一端和处理器的CAN接口连接，另一端和CAN收发单元连接，电源端和5V电压转换电路以及电源隔离单元连接；CAN收发单元的CAN总线信号端和终端电阻连接，电源端和电源隔离单元连接；电源隔离单元的核心为电源隔离器件B0505，其输入端和5V电压转换电路连接。
所述处理器模块以处理器LPC2109FBD64/01为核心，在其外围分别搭建了复位电路、晶振电路、JTAG电路以及ISP电路。并且对处理器的各电源引脚进行了退藕处理，复位电路采用专用的复位芯片MAX811S。处理器电源端分别和3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路相连;处理器的CAN接口与CAN收发模块连接；SPI接口和QIYA 气压采集单元连接；I2C接口和温湿度采集单元连接；处理器电源端与3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路连接。
和现有节点设备相比，该节点设备具有如下优点：
1、传输距离远、实时性强。该节点设备采用CAN现场总线协议，可实现长距离、实时采集和传输多种环境参数（包括温度、湿度、气压等）。
2、数据处理速度快，升级潜力大。本发明采用ARM7内核的高性能处理器，相比传统设备数据处理能力大大提高，并且选用的处理器外设丰富，具有极大升级潜力。
3、设备运行功耗低。节点设备的软硬件都采用低功耗设计，能够长时间运行。
4、设备稳定性、可靠性高。该设备采用专用工业级复位芯片以保证电路的可靠性能；CAN传输模块采用电源隔离和光耦隔离的设计，提高节点的稳定性和安全性。
5、设备适应性强。节点设备各部件均采用符合工业级标准的器件，在恶劣环境下具有较强的适应性，并充分考虑防潮、防腐、防爆、及本质安全等因素，采用防护等级IP66、防爆等级Ex ia IICT6的设计，使得事故发生后的设备生存能力强。
附图说明
图1为本发明中电源管理模块电路原理图；
图2为本发明中环境参数采集模块电路原理图；
图3为本发明中CAN传输模块电路原理图；
图4为本发明中的处理器模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。锂电池型号为JS-7.4V-2.2AH，标称容量2.2AH，其正极和单刀双掷开关S1的2引脚相连，负极接地。单刀双掷开关S1的3引脚悬空，1引脚和保护二极管1N4007阳极相连，保护二极管1N4007的阴极和电源芯片U2的3引脚相连。5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，钽电容C23的负极接地；电源芯片U2的1引脚接地，2引脚和钽电容C24的正极、电源指示灯DS1的阳极相连；钽电容C24的负极、电源指示灯DS1的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3引脚、电源芯片U4的3引脚相连。3.3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地。1.8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2引脚和钽电容C10的正极、电源指示灯DS3阳极相连；钽电容C10的负极、电源指示灯DS3的阴极均接地。
如图2所示，环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元。温湿度采集单元的核心数字式温湿度传感器U11的1引脚和处理器的26引脚相连，6引脚和处理器的22引脚相连；数字式温湿度传感器U11的5引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚接地，电容C32的一端和数字式温湿度传感器U11的5引脚相连，另一端接地；数字式温湿度传感器U11的3、4引脚均悬空。气压采集单元核心数字式气压传感器U10的6引脚和处理器的30引脚相连、7引脚和处理器的29引脚相连、8引脚和处理器的27引脚相连；数字式气压传感器U10的4引脚、5引脚均和处理器的1引脚相连；数字式气压传感器U10的1引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚、3引脚均接地；电容C12的一端和数字式气压传感器U10的1引脚相连，另一端和数字式气压传感器U10的2引脚相连。
如图3所示，CAN传输模块包括光耦隔离单元、CAN收发单元和5V电源隔离单元。光耦隔离单元的核心为两个高速光耦隔离器件6N137即U7和U8。光耦U7的2引脚和5V电压转换电路输出端相连；光耦U7的3引脚串联一个470Ω的电阻R7后和处理器CAN接口10引脚连接；光耦U7的1、4引脚悬空；光耦U7的5引脚和5V电源隔离单元中U9的3引脚相连；光耦U7的7、8引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连，电阻R5的一端和光耦U7的7、8引脚相连，另外一端和光耦U7的6引脚相连；光耦U7的6引脚和CAN收发器U6的1引脚相连。CAN收发单元的核心是TJA1040T高速CAN收发器U6，其3引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连；CAN收发器U6的2引脚和5V电源隔离单元中U9的3引脚相连；CAN收发器U6的5、8引脚悬空，6引脚、7引脚通过接插件J2和终端电阻R4相连。终端电阻R4的一端和接插件J2的2引脚相连，另一端和CAN收发器U6的7引脚相连；接插件J2的1引脚和CAN收发器的6引脚相连；CAN收发器的4引脚串联一个470Ω的电阻R6后和光耦U8的3引脚相连。光耦U8的2引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连；光耦U8的1、4引脚悬空；光耦U8的7、8引脚和5V电压转换电路相连，电阻R8的一端和光耦U8的7、8引脚相连，另一端和光耦U8的6引脚相连；光耦U8的6引脚和处理器的CAN接口9引脚相连；光耦U8的5引脚接地。电源隔离单元中U9的2引脚和5V电压转换电路相连，1引脚接地；电容C12的一端和U9的3引脚相连，电容C12另一端和U9的4引脚相连；电阻R9一端U9的3引脚相连，电阻R9的另一端和U9的4引脚相连。
如图4所示，处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退藕电容。处理器模块的核心处理器U1的57引脚和复位芯片U5的2引脚相连。复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3.3V电压转换电路相连，电容C11的一端和复位芯片的1引脚连接，另一端和复位芯片的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2的一端，复位开关S2的另一端接地。处理器U1的61引脚、62引脚分别和晶振电路相连。晶振电路中晶振Y1的两端并联一个电阻R3使系统更容易起振；晶振电路中电容C1、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地。处理器的JTAG接口和接插件JP1相连，其中处理器的20引脚和接插件JP1的3引脚相连，24引脚和接插件JP1的11引脚相连，52引脚和接插件JP1的7引脚相连，56引脚和接插件JP1的9引脚相连，57引脚和接插件JP1的15引脚相连，60引脚和接插件JP1的5引脚相连，64引脚和接插件JP1的13引脚相连；接插件JP1的1引脚、2引脚和3.3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚均悬空，其余引脚均接地；电阻R2的一端和接插件JP1的11引脚相连，另一端接地。处理器ISP接口41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻R1的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻R1的另外一端和3.3V电压转换电路相连。退藕电容部分中，电容C16的一端和处理器的17引脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7引脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地。
本发明的工作过程为：锂电池提供的7.4V电源电压通过5V电压转换电路输出5V电压，为CAN传输模块、3.3V电压转换电路和1.8V电压转换电路提供电源；3.3V电压转换电路为处理器模块和环境参数采集模块提供电源；1.8V电压转换电路为处理器模块提供电源。整个系统通断由单刀双掷开关S1控制。节点设备完成一次数据采集和发送的过程如下：首先，处理器发送命令启动环境参数采集模块采集相应的环境参数，处理器等待参数采集完毕后通过SPI或I2C接口电路读取相应参数；然后，处理器对采集到的环境参数做适当处理；接着，处理器通过CAN接口将数据发送至CAN传输模块；最后，CAN传输模块将数据发送至CAN总线。
本发明提供了一种可用于化工安全监控的CAN总线传感器节点，能为化工等高危企业提供远距离、可靠、实时的现场环境参数与设备参数监测服务。
Claims (1)
1.可用于化工安全监控的CAN总线传感器节点，包括电源管理模块、环境参数采集模块、CAN传输模块和处理器模块，其特征在于：
所述的电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路；锂电池正极和单刀双掷开关S1的2引脚相连，负极接地；单刀双掷开关S1的3引脚悬空，1引脚和保护二极管1N4007阳极相连，保护二极管1N4007的阴极和电源芯片U2的3引脚相连；5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，钽电容C23的负极接地；电源芯片U2的1引脚接地，2引脚和钽电容C24的正极、电源指示灯DS1的阳极相连；钽电容C24的负极、电源指示灯DS1的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3引脚、电源芯片U4的3引脚相连；3.3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地；1.8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2引脚和钽电容C10的正极、电源指示灯DS3阳极相连；钽电容C10的负极、电源指示灯DS3的阴极均接地；
所述的环境参数采集模块包括温湿度采集单元和气压采集单元；温湿度采集单元的核心数字式温湿度传感器U11的1引脚和处理器的26引脚相连，6引脚和处理器的22引脚相连；数字式温湿度传感器U11的5引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚接地，电容C32的一端和数字式温湿度传感器U11的5引脚相连，另一端接地；数字式温湿度传感器U11的3、4引脚均悬空；气压采集单元核心数字式气压传感器U10的6引脚和处理器的30引脚相连、7引脚和处理器的29引脚相连、8引脚和处理器的27引脚相连；数字式气压传感器U10的4引脚、5引脚均和处理器的1引脚相连；数字式气压传感器U10的1引脚和3.3V电压转换电路相连，2引脚、3引脚均接地；电容C12的一端和数字式气压传感器U10的1引脚相连，另一端和数字式气压传感器U10的2引脚相连；
所述的CAN传输模块包括光耦隔离单元、CAN收发单元和5V电源隔离单元；光耦隔离单元的核心为两个高速光耦隔离器件6N137即U7和U8；光耦U7的2引脚和5V电压转换电路输出端相连；光耦U7的3引脚串联一个470Ω的电阻R7后和处理器CAN接口10引脚连接；光耦U7的1、4引脚悬空；光耦U7的5引脚和5V电源隔离单元中U9的3引脚相连；光耦U7的7、8引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连，电阻R5的一端和光耦U7的7、8引脚相连，另外一端和光耦U7的6引脚相连；光耦U7的6引脚和CAN收发器U6的1引脚相连；CAN收发单元的核心是TJA1040T高速CAN收发器U6，其3引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连；CAN收发器U6的2引脚和5V电源隔离单元中U9的3引脚相连；CAN收发器U6的5、8引脚悬空，6引脚、7引脚通过接插件J2和终端电阻R4相连；终端电阻R4的一端和接插件J2的2引脚相连，另一端和CAN收发器U6的7引脚相连；接插件J2的1引脚和CAN收发器的6引脚相连；CAN收发器的4引脚串联一个470Ω的电阻R6后和光耦U8的3引脚相连；光耦U8的2引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连；光耦U8的1、4引脚悬空；光耦U8的7、8引脚和5V电压转换电路相连，电阻R8的一端和光耦U8的7、8引脚相连，另一端和光耦U8的6引脚相连；光耦U8的6引脚和处理器的CAN接口9引脚相连；光耦U8的5引脚接地；电源隔离单元中U9的2引脚和5V电压转换电路相连，1引脚接地；电容C12的一端和U9的3引脚相连，电容C12另一端和U9的4引脚相连；电阻R9一端U9的3引脚相连，电阻R9的另一端和U9的4引脚相连；
所述的处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退藕电容；处理器模块的核心处理器U1的57引脚和复位芯片U5的2引脚相连；复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3.3V电压转换电路相连，电容C11的一端和复位芯片的1引脚连接，另一端和复位芯片的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2的一端，复位开关S2的另一端接地；处理器U1的61引脚、62引脚分别和晶振电路相连；晶振电路中晶振Y1的两端并联一个电阻R3使系统更容易起振；晶振电路中电容C1、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地；处理器的JTAG接口和接插件JP1相连，其中处理器的20引脚和接插件JP1的3引脚相连，24引脚和接插件JP1的11引脚相连，52引脚和接插件JP1的7引脚相连，56引脚和接插件JP1的9引脚相连，57引脚和接插件JP1的15引脚相连，60引脚和接插件JP1的5引脚相连，64引脚和接插件JP1的13引脚相连；接插件JP1的1引脚、2引脚和3.3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚均悬空，其余引脚均接地；电阻R2的一端和接插件JP1的11引脚相连，另一端接地；处理器ISP接口41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻R1的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻R1的另外一端和3.3V电压转换电路相连；退藕电容部分中，电容C16的一端和处理器的17引脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7引脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地。
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