一种基于沙克总线传输协议的压力数据采集系统的制作方法

本发明一种基于沙克总线传输协议的压力数据采集系统，属于压力数据采集系统技术领域。

背景技术：

压力传感器是压力测试系统的核心部件，传统的压力传感器输出的是模拟信号，必须经过信号调理电路才能检测到，一般压力传感器体积和重量都较大，给应用设备带来了很大的负担，而且传感器输出的模拟信号在长距离线缆传输过程中抗干扰能力较差，影响最终采集到的数据质量。

目前的压力数据采集系统中使用类似的传感器，其过载能力差、精度低，使用旧的传输方案是将各个传感器采集到的模拟信号统一传输到采集卡，然后再进行模数转换，之后接入422总线中，这样做会增加传输线缆的数量，并且传统的422总线是点对点连接的系统，使产品在研发过程中的试验成本较高，每次试验都必须经过单机测量、单机接口匹配、分系统匹配、总装测试等步骤，当单台设备出现故障时，在外部无法与总线上所有设备直接通讯检测，必须拆解后测量，排除故障的成本较高。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于沙克总线传输协议的压力数据采集系统；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于沙克总线传输协议的压力数据采集系统，包括数字压力传感器和传感器变换器，所述传感器变换器通过通信接口驱动模块与多个数字压力传感器相连；

所述数字压力传感器由外壳组成，所述外壳的一端由防水密封胶封装，所述外壳的另一端由压环和顶盖封装；

所述外壳的内部设置有控制电路板，所述控制电路板与外壳之间的空间由绝缘密封层填充；

所述控制电路板由焊接环固定在外壳的内部；

所述控制电路板上集成有微控制器，所述微控制器通过模数转换模块分别与压力传感器、温度传感器相连；

所述微控制器还通过导线与数据通信模块双向连接，所述数据通信模块通过导线与传感器变换器双向连接；

所述传感器变换器的内部设置有数据收发控制器，所述数据收发控制器的信号输出端与通信接口驱动模块双向连接，所述通信接口驱动模块通过导线与数据通信模块相连；

所述数据收发控制器的信号输入端与沙克总线通信模块双向连接；

所述沙克总线通信模块通过导线与路由器相连；

所述微控制器和数据收发控制器的电源输入端分别与电源模块相连。

所述沙克总线通信模块使用的芯片为信号发送芯片u1、电缆驱动器u2、信号接收芯片u3、数据恢复器u4，所述沙克总线通信模块的电路结构为：

所述信号发送芯片u1的1脚-11脚与数据收发控制器的信号输入端相连；

所述信号发送芯片u1的30脚串接电阻r17后接地；

所述信号发送芯片u1的31脚串接电阻r18后接地；

所述信号发送芯片u1的18脚串接电阻r20后接地；

所述信号发送芯片u1的23脚串接电阻r19后接地；

所述信号发送芯片u1的21脚并接电阻r22的一端，电阻r25的一端，电阻r26的一端后与电缆驱动器u2的2脚相连；

所述信号发送芯片u1的20脚并接电阻r22的一端，电阻r23的一端，电阻r24的一端后与电缆驱动器u2的3脚相连；

所述信号发送芯片u1的16脚依次并接信号发送芯片u1的25脚、26脚、27脚、28脚、29脚、电容c46的一端，电容c47的一端，电容c48的一端后与3.3v输入电源相连，所述电容c46、c47、c48的另一端相互连接后接地；

所述电阻r23的另一端并接电阻r25的另一端后与3.3v输入电源相连；

所述电阻r24的另一端并接电阻r26的另一端后接地；

所述电缆驱动器u2的4脚串接电阻r27后接地；

所述电缆驱动器u2的7脚并接电阻r29的一端后与电容c51的一端相连，所述电容c51的另一端与接线端子j5相连；

所述电缆驱动器u2的6脚并接电阻r28的一端后与电容c50的一端相连，所述电容c50的另一端与接线端子j5相连；

所述电阻r28与电阻r29的另一端相互连接后接地；

所述信号接收芯片u3的14脚-18脚，23脚-27脚与数据收发控制器的信号输出端相连；

所述信号接收芯片u3的4脚并接信号接收芯片u3的5脚后与电阻r47的一端相连，所述电阻r47的另一端与3.3v输入电源相连；

所述信号接收芯片u3的1脚、8脚、9脚、22脚、20脚分别与3.3v输入电源相连；

所述信号接收芯片u3的2脚并接电阻r50的一端，电阻r54的一端，电阻r53的一端后与电容c66的一端相连，所述电容c66的另一端并接电阻r55的一端后与数据恢复器u4的13脚相连；

所述信号接收芯片u3的3脚并接电阻r50的另一端，电阻r51的一端，电阻r52的一端后与电容c67的一端相连，所述电容c67的另一端并接电阻r56的一端后与数据恢复器u4的14脚相连；

所述电阻r51的另一端并接电阻r53的另一端后与3.3v输入电源相连，所述电阻r52的另一端并接电阻r54的另一端后接地，所述电阻r55的另一端并接电阻r56的另一端，二极管d4的负极后后电容c68的一端相连，所述电容c68的另一端接地；

所述数据恢复器u4的7脚串接电容c69后与数据恢复器u4的6脚相连；

所述二极管d4的正极并接数据恢复器u4的4脚、1脚、2脚、电容c70的一端，电容c72的一端后与5v输入电源相连，所述电容c70的另一端并接电容c72的另一端后接地；

所述数据恢复器u4的12脚并接数据恢复器u4的5脚后与电容c71的一端相连，所述电容c71的另一端接地；

所述数据恢复器u4的8脚串接电阻r59后与电容c75的一端相连，所述电容c75的另一端并接电阻r60的一端后与电阻r62的一端相连，所述电阻r62的另一端与接线端子j5相连；

所述数据恢复器u4的9脚串接电阻r58后与电容c74的一端相连，所述电容c74的另一端并接电阻r61的一端后与电阻r63的一端相连，所述电阻r63的另一端与接线端子j5相连；

所述电阻r60的另一端并接电阻r61的另一端后接地；

所述数据恢复器u4的3脚串接电阻r57和电容c73后接地。

所述电源模块使用的芯片为稳压器u8，所述电源模块的电路结构为：

所述稳压器u8的2脚依次并接稳压器u8的3脚、10脚、11脚、8脚、电容c58的一端，电容c57的一端后与5v输入电源相连；

所述稳压器u8的9脚依次并接稳压器u8的1脚、12脚、13脚、24脚、7脚、电容c58的另一端，电容c57的另一端后接地；

所述稳压器u8的14脚依次并接稳压器u8的15脚、16脚、电容c60的一端后与1.2v电源输出端相连；

所述稳压器u8的21脚依次并接稳压器u8的22脚、23脚、电容c59的一端后与3.3v电源输出端相连；

所述电容c59的另一端并接电容c60的另一端后接地。

所述通信接口驱动模块使用的芯片为总线扩展器u20，所述通信接口驱动模块的电路结构为：

所述总线扩展器u20的2脚并接电阻r40的一端后与数据通信模块的信号输出端相连，所述电阻r40的另一端接3.3v输入电源；

所述总线扩展器u20的3脚与数据通信模块的信号输出端相连；

所述总线扩展器u20的4脚接地；

所述总线扩展器u20的6脚与数据收发控制器的信号输入端相连；

所述总线扩展器u20的7脚并接电阻r42的一端后与数据收发控制器的信号输入端相连，所述电阻r42的另一端接3.3v输入电源；

所述总线扩展器u20的8脚并接电容c48的一端，电容c49的一端后与3.3v电源输入端相连，所述电容c48的另一端并接电容c49的另一端后接地。

所述信号发送芯片u1的型号为ds921v1023arhbq；

所述电缆驱动器u2的型号为clc001；

所述信号接收芯片u3的型号为ds921v1224arhbq；

所述数据恢复器u4的型号为clc014；

所述稳压器u8的型号为tps70345；

所述总线扩展器u20的型号为p82b715。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明为了克服现有的压力传感器模拟信号传输过程中信号质量差、精度低、接口不统一的缺陷，采用传感器变换器直接与沙克总线中的路由器通信，在不同温度下对相应压力值进行测量；使用的数字压力传感器具备微功耗i2c通信接口，端部由防水胶密封，并由绝缘材料填充固定，可以使其在恶劣条件下使用，传感器内部集成了压力敏感头、温度敏感头、模数转换等模块，结构简单，压缩了传感器体积；所有数据通过数字信号形式传输，设置的通信接口驱动模块可以增加传输距离，提高数据传输的可靠性；使用传感器变换器可以实现对多路传感器的控制与多路数据的编码传输功能，过采样率和采样间隔可控，多路传感器自动轮询采集数据，具备沙克总线接口，能与路由器直接通信。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明数字压力传感器的结构示意图；

图2为本发明数字压力传感器的电路结构示意图；

图3为本发明传感器变换器的电路结构示意图；

图4为本发明沙克总线通信模块的电路图；

图5为本发明电源模块的电路图；

图6为本发明通信接口驱动模块的电路图；

图中：1为数字压力传感器、2为传感器变换器、3为通信接口驱动模块、4为外壳、5为防水密封胶、6为压环、7为顶盖、8为控制电路板、9为绝缘密封层、10为焊接环、11为微控制器、12为模数转换模块、13为压力传感器、14为温度传感器、15为数据通信模块、16为数据收发控制器、17为沙克总线通信模块、18为路由器、19为电源模块。

具体实施方式

如图1和图6所示，本发明一种基于沙克总线传输协议的压力数据采集系统，包括数字压力传感器（1）和传感器变换器（2），所述传感器变换器（2）通过通信接口驱动模块（3）与多个数字压力传感器（1）相连；

所述数字压力传感器（1）由外壳（4）组成，所述外壳（4）的一端由防水密封胶（5）封装，所述外壳（4）的另一端由压环（6）和顶盖（7）封装；

所述外壳（4）的内部设置有控制电路板（8），所述控制电路板（8）与外壳（4）之间的空间由绝缘密封层（9）填充；

所述控制电路板（8）由焊接环（10）固定在外壳（4）的内部；

所述控制电路板（8）上集成有微控制器（11），所述微控制器（11）通过模数转换模块（12）分别与压力传感器（13）、温度传感器（14）相连；

所述微控制器（11）还通过导线与数据通信模块（15）双向连接，所述数据通信模块（15）通过导线与传感器变换器（2）双向连接；

所述传感器变换器（2）的内部设置有数据收发控制器（16），所述数据收发控制器（16）的信号输出端与通信接口驱动模块（3）双向连接，所述通信接口驱动模块（3）通过导线与数据通信模块（15）相连；

所述数据收发控制器（16）的信号输入端与沙克总线通信模块（17）双向连接；

所述沙克总线通信模块（17）通过导线与路由器（18）相连；

所述微控制器（11）和数据收发控制器（16）的电源输入端分别与电源模块（19）相连。

所述沙克总线通信模块（17）使用的芯片为信号发送芯片u1、电缆驱动器u2、信号接收芯片u3、数据恢复器u4，所述沙克总线通信模块（17）的电路结构为：

所述信号发送芯片u1的1脚-11脚与数据收发控制器（16）的信号输入端相连；

所述信号发送芯片u1的30脚串接电阻r17后接地；

所述信号发送芯片u1的31脚串接电阻r18后接地；

所述信号发送芯片u1的18脚串接电阻r20后接地；

所述信号发送芯片u1的23脚串接电阻r19后接地；

所述信号发送芯片u1的21脚并接电阻r22的一端，电阻r25的一端，电阻r26的一端后与电缆驱动器u2的2脚相连；

所述信号发送芯片u1的20脚并接电阻r22的一端，电阻r23的一端，电阻r24的一端后与电缆驱动器u2的3脚相连；

所述信号发送芯片u1的16脚依次并接信号发送芯片u1的25脚、26脚、27脚、28脚、29脚、电容c46的一端，电容c47的一端，电容c48的一端后与3.3v输入电源相连，所述电容c46、c47、c48的另一端相互连接后接地；

所述电阻r23的另一端并接电阻r25的另一端后与3.3v输入电源相连；

所述电阻r24的另一端并接电阻r26的另一端后接地；

所述电缆驱动器u2的4脚串接电阻r27后接地；

所述电缆驱动器u2的7脚并接电阻r29的一端后与电容c51的一端相连，所述电容c51的另一端与接线端子j5相连；

所述电缆驱动器u2的6脚并接电阻r28的一端后与电容c50的一端相连，所述电容c50的另一端与接线端子j5相连；

所述电阻r28与电阻r29的另一端相互连接后接地；

所述信号接收芯片u3的14脚-18脚，23脚-27脚与数据收发控制器（16）的信号输出端相连；

所述信号接收芯片u3的4脚并接信号接收芯片u3的5脚后与电阻r47的一端相连，所述电阻r47的另一端与3.3v输入电源相连；

所述信号接收芯片u3的1脚、8脚、9脚、22脚、20脚分别与3.3v输入电源相连；

所述信号接收芯片u3的2脚并接电阻r50的一端，电阻r54的一端，电阻r53的一端后与电容c66的一端相连，所述电容c66的另一端并接电阻r55的一端后与数据恢复器u4的13脚相连；

所述信号接收芯片u3的3脚并接电阻r50的另一端，电阻r51的一端，电阻r52的一端后与电容c67的一端相连，所述电容c67的另一端并接电阻r56的一端后与数据恢复器u4的14脚相连；

所述电阻r51的另一端并接电阻r53的另一端后与3.3v输入电源相连，所述电阻r52的另一端并接电阻r54的另一端后接地，所述电阻r55的另一端并接电阻r56的另一端，二极管d4的负极后后电容c68的一端相连，所述电容c68的另一端接地；

所述数据恢复器u4的7脚串接电容c69后与数据恢复器u4的6脚相连；

所述二极管d4的正极并接数据恢复器u4的4脚、1脚、2脚、电容c70的一端，电容c72的一端后与5v输入电源相连，所述电容c70的另一端并接电容c72的另一端后接地；

所述数据恢复器u4的12脚并接数据恢复器u4的5脚后与电容c71的一端相连，所述电容c71的另一端接地；

所述数据恢复器u4的8脚串接电阻r59后与电容c75的一端相连，所述电容c75的另一端并接电阻r60的一端后与电阻r62的一端相连，所述电阻r62的另一端与接线端子j5相连；

所述数据恢复器u4的9脚串接电阻r58后与电容c74的一端相连，所述电容c74的另一端并接电阻r61的一端后与电阻r63的一端相连，所述电阻r63的另一端与接线端子j5相连；

所述电阻r60的另一端并接电阻r61的另一端后接地；

所述数据恢复器u4的3脚串接电阻r57和电容c73后接地。

所述电源模块（19）使用的芯片为稳压器u8，所述电源模块（19）的电路结构为：

所述稳压器u8的2脚依次并接稳压器u8的3脚、10脚、11脚、8脚、电容c58的一端，电容c57的一端后与5v输入电源相连；

所述稳压器u8的9脚依次并接稳压器u8的1脚、12脚、13脚、24脚、7脚、电容c58的另一端，电容c57的另一端后接地；

所述稳压器u8的14脚依次并接稳压器u8的15脚、16脚、电容c60的一端后与1.2v电源输出端相连；

所述稳压器u8的21脚依次并接稳压器u8的22脚、23脚、电容c59的一端后与3.3v电源输出端相连；

所述电容c59的另一端并接电容c60的另一端后接地。

所述通信接口驱动模块（3）使用的芯片为总线扩展器u20，所述通信接口驱动模块（3）的电路结构为：

所述总线扩展器u20的2脚并接电阻r40的一端后与数据通信模块（15）的信号输出端相连，所述电阻r40的另一端接3.3v输入电源；

所述总线扩展器u20的3脚与数据通信模块（15）的信号输出端相连；

所述总线扩展器u20的4脚接地；

所述总线扩展器u20的6脚与数据收发控制器（16）的信号输入端相连；

所述总线扩展器u20的7脚并接电阻r42的一端后与数据收发控制器（16）的信号输入端相连，所述电阻r42的另一端接3.3v输入电源；

所述总线扩展器u20的8脚并接电容c48的一端，电容c49的一端后与3.3v电源输入端相连，所述电容c48的另一端并接电容c49的另一端后接地。

所述信号发送芯片u1的型号为ds921v1023arhbq；

所述电缆驱动器u2的型号为clc001；

所述信号接收芯片u3的型号为ds921v1224arhbq；

所述数据恢复器u4的型号为clc014；

所述稳压器u8的型号为tps70345；

所述总线扩展器u20的型号为p82b715。

本发明引入沙克总线传输协议进行压力数据的采集与传输，相较于原来的测量系统能够消除终端用户技术障碍，降低测量设计工作量，减少测量系统相关设备，简化电缆网，有效提高系统可靠性；使用的数字压力传感器具备沙克总线接口之后将简化测量系统。

本发明包括外壳和压环，在外壳和压环形成的容腔内设有压力传感器和相应电路板，压力传感器与外壳通过焊接环焊接在一起，所述的电路板上设置有通信接口驱动电路；本发明同时将温度传感器集成到压力传感器内，可以测量压力传感器探头的温度，通过微控制器发送指令可以控制传感器采集压力值或温度值，结合存储在存储器中的校准系数，从而对压力值进行校准，提高了压力信号在不同温度下的测量精度；可通过配置实现传感器不同的过采样率，调整采集精度和功耗，适应各种应用场合。

本实施例中，所述压环外侧设置的i2c数字信号输出电缆与控制电路板连接，由于本发明提供了一种微功耗串行数字通信接口，使其能够在3.3v供电的情况下长期工作，串行数字通信提高了信号的可靠性。

所述压力传感器探头外部设有防水密封胶，所述电路板与顶盖中间的空隙中设有绝缘密封填充层，从而实现对压力传感器探头和电路板的保护，使之能够承受较大的压力，能够在恶劣条件下稳定工作。

所述传感器变换器内部设置有数据收发模块和电源模块，数据收发模块完成命令解析转发和数据上传功能，包括沙克总线接口电路，还包括通信接口驱动电路与数字压力传感器中的驱动电路，共同构成完整的通信总线，电源模块为所有数字传感器及数据收发模块供电。

在所述外壳和顶盖形成的腔体内设置有mems压力传感器和通信接口驱动电路，所述压力传感器内部集成了压力敏感头、温度敏感头、选通开关、模数转换模块、128位prom、微处理器和通信接口驱动电路，通信接口驱动电路大大延长了i2c总线的通信距离，为多路传感器的分布和与传感器变换器的连接提供了便利。

在使用时，传感器变换器通过发送不同的指令可以控制传感器内部的选通开关接通压力敏感头或是温度敏感头，被选中的敏感头在指令控制下采集数据，采集信号经过模数转换模块处理后形成24位未补偿的压力值或温度值的数字信号，由通信接口在i2c总线上输出。

传感器通过指令读取压力传感器中128位prom数据，构成7个压力校准值和3个温度校准值，与24位压力值和温度值进行计算，得到高精度的压力数据。

传感器变换器能够接收路由器转发的命令，解析并转发给数字压力传感器，控制传感器的过采样率、采样间隔；其中通信接口驱动模块能够同时与48路数字压力传感器通信，并将多路数据按照沙克总线的接口通信协议编码打包，通过沙克总线接口上传到路由器以便分析。

由于在数字压力传感器和传感器变换器中都设计了通信接口驱动电路，大大增加了i2c总线的有效传输距离，为设置多个传感器的大量布线提供了便利；通信接口驱动模块中的p82b715芯片为双向电路增益缓冲器，能够使i2c总线上的电缆负载电容增加，通过选取合适的上拉电阻确保信号的上升时间在允许的范围内，从而提高数字压力传感器采集数据在传输过程中的可靠性。

本发明使用的i2c总线是一种双向二线制同步串行总线，其中串行数据线和串行时钟线都是双向i/o线，接口电路为开漏输出，消耗的电流很小，因此总线上能够扩展的器件数量和最大的通信距离主要由总线上的电容负载决定，负载电容的增加会使信号的上升时间增加，引起误码；一般情况下i2c总线的负载能力为400pf，总线上的等效电容为传输线上的电容与节点器件等效电容10倍之和，传输距离增加1米，等效电容增加约100pf，由此可见i2c总线的传输距离很短；在每个总线接口增加i2c总线扩展器p82b715可以使总线的负载能力提高到3000pf，使传输距离增加时不会超出总线的负载能力，便于实现大面积布线。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。