劉艷彬，于大波，劉文英，徐　磊

（1.93756部隊(duì)，天津　300131；2.天津吉諾科技有限公司，天津　300384）

基于單片機(jī)的溫濕度以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉艷彬1，于大波1，劉文英2，徐磊1

（1.93756部隊(duì)，天津300131；2.天津吉諾科技有限公司，天津300384）

摘要：本文介紹了基于單片機(jī)的溫濕度傳感器及其測(cè)試數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案實(shí)現(xiàn)了溫度和濕度的復(fù)合測(cè)試，并通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度的采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵字：C8051F340；溫濕度傳感器；以太網(wǎng)

1　引言

溫濕度傳感器的監(jiān)測(cè)和控制在生產(chǎn)和生活中廣泛應(yīng)用，從復(fù)雜的模擬量監(jiān)測(cè)到數(shù)字化的智能監(jiān)測(cè)，傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向著小型化，智能化的方向發(fā)展。本系統(tǒng)利用單總線溫濕度傳感器SHT75實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的測(cè)量，經(jīng)過單片機(jī)C8051F340處理，通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，完成了小型智能化傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2　傳感器以太網(wǎng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)（C8051F340）電路、以太網(wǎng)接口電路和傳感器模塊電路三部分組成。C8051F340是Silicon Labs公司推出的完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有與80C51兼容的CIP-51內(nèi)核[1]。單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)包括復(fù)位電路、地址線、數(shù)據(jù)線的分配和定義、與傳感器模塊以及以太網(wǎng)接口電路的連接等。以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片CP2200與以太網(wǎng)隔離變壓器HR911105A組成以太網(wǎng)電路部分。

2.2傳感器電路設(shè)計(jì)

SHT75是Sensirion公司推出的一款利用電容式聚合體測(cè)相對(duì)濕度和能隙式元件測(cè)溫度的數(shù)字式溫濕度復(fù)合傳感器，它內(nèi)部集成了溫濕度傳感器、信號(hào)放大處理器、14bit的A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)2線制的串行接口和內(nèi)部電壓校準(zhǔn)。SHT75的工作原理是：兩個(gè)傳感器測(cè)量元件分別把溫濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，在信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、與存儲(chǔ)在OTP中的校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和糾錯(cuò)，然后通過串行接口把數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。

SHT75的串行接口是模擬的I2C接口，因此傳感器不能按照標(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議編址，在I2C總線上沒有其他元件時(shí)，傳感器可以連接到單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線上，但是，單片機(jī)必須按照傳感器的協(xié)議工作[2]。本設(shè)計(jì)中采用C8051F340的IO口模擬I2C接口分別與SHT75的DATA腳和SCK腳連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和同步通信的時(shí)鐘輸入。因?yàn)镾HT75的DATA在上升沿有效，并且在SCK高電平時(shí)必須保持有效，因此在設(shè)計(jì)中SHT75外部加一個(gè)上拉電阻確保信號(hào)處于高電平。

2.3以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

CP2200是集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器的單芯片以太網(wǎng)控制器，它具有一個(gè)8位并行總線接口支持Intel和Motorola總線方式[2]，可以使用復(fù)用或非復(fù)用方式尋，本設(shè)計(jì)通過拉高M(jìn)UXEN腳使芯片處于非復(fù)用方式，在該模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率超過30Mbps。

C8051F340的P3口作為8為地址線，P4口作為8位數(shù)據(jù)線，P1.6和P1.7分別配置為/RD和/WR。CP2200的中斷引腳INT與C8051F340的P0.5引腳連接在一起，其片選CS陣腳接C8051F340的P0.4腳。

HR9011105A集成了以太網(wǎng)隔離變壓器、RJ-45、指示燈。CP2200的網(wǎng)絡(luò)連接指示燈接口LINK和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示燈接口ACT分別連接到HR9011105A上相應(yīng)的LED燈的控制端口。CP2200通過HR9011105A連接到以太網(wǎng)上，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集

在溫濕度數(shù)據(jù)采集部分，首先對(duì)單片機(jī)的初始化，然后發(fā)送“啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸”命令：在SCK高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖剑S后在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為高電平，然后傳送命令指令，傳感器開始進(jìn)行溫濕度的采集、補(bǔ)償、露點(diǎn)計(jì)算等。SHT75只有一個(gè)內(nèi)部地址，對(duì)SHT75的操作只能通過不同的命令實(shí)現(xiàn)，主要經(jīng)過的是啟動(dòng)傳輸、字節(jié)的讀與寫、狀態(tài)寄存器的讀與寫、最終數(shù)據(jù)的讀取、計(jì)算和通信的復(fù)位幾部分。

3.2以太網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，CP2200作為C8051F340的外部RAM，其存儲(chǔ)器接口（EMIF）設(shè)定在P3和P4口，打開交叉開關(guān)，選擇地址線和數(shù)據(jù)線的非復(fù)用方式，選擇存儲(chǔ)器模式為不帶塊選擇的分片方式，設(shè)置與片外存儲(chǔ)器或外設(shè)接口的時(shí)序。單片機(jī)通過中斷請(qǐng)求信號(hào)得到振蕩器是否完成初始化，查詢INT0來(lái)確定CP2200自身的初始化是否完成，禁止那些主處理器不監(jiān)視或不處理的事件的中斷，初始化物理層，用IOPWR寄存器使能所需要的活動(dòng)（Ack）、連接（Link）LED；初始化媒體訪問控制器（MAC），配置接收過濾器。

圖1　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)接口模塊主要實(shí)現(xiàn)CP2200的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，主要包括初始化函數(shù)、幀發(fā)送函數(shù)和幀接收函數(shù)。當(dāng)MAC允許接收數(shù)據(jù)包并且接收緩沖區(qū)未滿時(shí)，CP2200會(huì)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)包接收，一旦接收完成就會(huì)向單片機(jī)發(fā)送接收完成中斷[3]。單片機(jī)通過AutoRead自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)包，根據(jù)處理器的選擇讀取數(shù)據(jù)包將其復(fù)制到局部存儲(chǔ)器中或者在RXSKIP位寫1跳過該包。CP2200初始化完成后就準(zhǔn)備好收發(fā)數(shù)據(jù)包，通過AutoWrite寄存器將數(shù)據(jù)裝載到發(fā)送緩沖區(qū)，并向內(nèi)部寄存器TXGO寫1就可以發(fā)送數(shù)據(jù)包，CP2200/1為發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的接口，只需主機(jī)把源地址、目的地址、長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)內(nèi)容裝載到發(fā)送緩沖區(qū)。前導(dǎo)、開始幀、CRC 和填充由芯片自動(dòng)完成。發(fā)送完成后產(chǎn)生數(shù)據(jù)包已發(fā)送完成中斷。

考慮到單片機(jī)的處理速度和有限的內(nèi)部資源，本設(shè)計(jì)使用裁剪后的TCP/IP協(xié)議。本設(shè)計(jì)中裁剪后的協(xié)議棧包括IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議。軟件流程圖如圖2所示。

圖2　軟件流程圖

4　總結(jié)

本方案已成功應(yīng)用于監(jiān)控生產(chǎn)車間的溫濕度，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度較高，穩(wěn)定性較好；另外，因CP2200集成了CRC校驗(yàn)等多項(xiàng)功能，很大程度上減輕了系統(tǒng)的負(fù)荷，使得該系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，可以進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

參考文獻(xiàn)：

[1]Silicon Laboratories Inc.c8051f340datasheet.http://www.silabs.com.

[2]Sensirion Inc.SHT7X datasheet.http://www.sensirion.com.cn.

[3]Silicon Laboratories Inc.CP2200datasheet.http://www.silabs.com.

[4]劉鋒，王平，付蔚.基于SHT75溫濕度傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].電子產(chǎn)品世界，2008（11）.

[5]王曉菊，潘琢金，杜睿.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)[D].2007（02）.

作者簡(jiǎn)介：劉艷彬（1979—），講師。