- 基于C8051F的Zigbee無線網(wǎng)絡的汽車測試系統(tǒng)設計
- 系統(tǒng)硬件設計硬件設計
- 軟件設計
- 試驗
汽車試驗是發(fā)現(xiàn)汽車設計開發(fā)中各種問題的重要手段,依據(jù)試驗結果能對汽車各種性能做出客觀的評價。作為汽車工業(yè)的基礎工程之一,汽車試驗在汽車工業(yè)的整體發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。汽車性能測試系統(tǒng)是汽車試驗工程的關鍵組成部分,它是由若干相互聯(lián)系、相互作用的傳感器和儀器設備等元件,為實現(xiàn)對汽車各項性能的測試而組成的有機整體,汽車測試系統(tǒng)的性能往往對整個汽車試驗的效用產(chǎn)生重要影響?,F(xiàn)有的汽車測試系統(tǒng)多采用有線連接,該方式存在2個弊端:1)汽車試驗需在大型專用試驗場或典型地域等惡劣環(huán)境中進行,現(xiàn)場布線任務繁瑣且易出錯;2)一些汽車試驗如蛇形試驗具有高危險性,對能夠減少試驗損失的測試系統(tǒng)更為重要。該系統(tǒng)以Cygnal公司的C8051F020單片機為控制核心,基于Zigbee無線網(wǎng)絡技術設計例如多通道數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng),它利用較少的外圍器件實現(xiàn)汽車試驗中性能參數(shù)的測試,縮短了現(xiàn)場布線時間,提高了試驗效率,且在試驗事故發(fā)生時減少事故損失。
1 系統(tǒng)總體結構設計
汽車試驗主要包括動力性能、燃油經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性和排放特性等測試項目,主要性能參數(shù)有速度、加速度、燃油消耗量、溫度以及操縱穩(wěn)定性試驗中的動態(tài)運動參數(shù)等,通過傳感器得到的這些參數(shù)的測試信號,經(jīng)過前端處理模塊處理(整形、濾波、放大等)后送入C805l-F020微處理器中,在單片機內部進行模數(shù)轉換和數(shù)據(jù)處理后通過串口實現(xiàn)與Zigbee終端節(jié)點的連接,再由終端節(jié)點在WLAN中將數(shù)據(jù)發(fā)出,Zi-gbee中心節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)串口與上位機進行通訊。中心節(jié)點也可將上位機的命令發(fā)送給終端節(jié)點,控制終端節(jié)點執(zhí)行。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 前端處理模塊
傳感器將各種常見的非電量信號轉換為電量信號,一般都較微弱,前端處理模塊將這些信號進行處理后送至單片機的A/D轉換端口。本系統(tǒng)共有8路傳感器信號,包括2路壓變傳感器信號、2路-5~+5 V電壓信號、2路4~20 mA電流信號和2路熱電偶信號的前端處理。其中壓變傳感器信號和熱電偶信號前端處理硬件電路分別如圖2和圖3所示。
AD620是一款低成本、高精度儀表放大器,僅需1個外部電阻設置增益,增益范圍為l~10 000。對壓變傳感器信號的前端處理采用AD62-0、AD705組成的放大電路,該部分采用單電源供電,AD705是電壓跟隨器,為AD620提供輸出電壓的零點。將VREF、AGND送至MCU的8位精度AD-Cl的AINl.0、AINl.1端口,利用軟件程序實現(xiàn)該路信號的參考電壓和模擬地的計算。
熱電偶傳感器用來測量汽車關鍵部件溫度,其前端處理電路采用OP07的可調增益放大電路。OP07是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路,具有非常低的輸入失調電壓,低失調、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等。在對精確度要求不高的場合,OP07的失調電壓可忽略,該電路中R25和R24用來調整系統(tǒng)放大倍數(shù),在選用不同類別的熱電偶時可適當調整兩者的阻值。
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2.2 C8051F020模塊
C805lF020 是Cygnal公司的一種混合信號SOC型8位單片機,它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU器件,具有64個數(shù)字I/O引腳。該單片機采用高速805l微控制器內核,速度可達25 MI/s,具有8個I/O口,5個通用定時器,5個捕捉/比較模塊及專用看門狗定時器,可同時使用SM-Bus,SPI及2個UART串口,內置64 kB高速存儲器。模擬外設方面,器件具有1個12位A/D轉換器,1個8位A/D轉換器,2個12位D/A轉換器及2個模擬比較器。器件內部的這些數(shù)字和模擬外設使系統(tǒng)的設計更簡單,集成度更高。
本模塊主要設計C8051F020的復位電路、外接晶振電路和接地處理,并將所有引腳引出,以便擴展應用。系統(tǒng)需要高速運行才能及時、有效地進行數(shù)據(jù)采集,所以單片機在一般情況下采用內部振蕩器作為時鐘源。但由于內部時鐘的誤差太大,在串口通訊的過程中,要選用外部時鐘,通過軟件設置可以實現(xiàn)內外時鐘的切換。在電源處通過去耦電容接到模擬地上,可以減少干擾回路的面積,降低電磁干擾輻射,可以把數(shù)字電流引起的干擾耦合到地,而不在外部電路的地中出現(xiàn)。為了使電容耦合最小,兩者沒有交迭,2個獨立的地在電源的公共“星”型地處通過瓷珠接到一起,電源處也采用類似處理以防止干擾。
2.3 Zigbee節(jié)點模塊
本文研究的汽車測試系統(tǒng)初步采用2個終端節(jié)點和1個中心協(xié)調器組成星狀網(wǎng)的拓撲結構,3個節(jié)點均選用SZ05-ADV型無線收發(fā)模塊,Zig-bee終端節(jié)點和中心節(jié)點通過標準串口分別與C8051F020模塊和 PC設備相連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。SZ05-ADV是高性能嵌入式無線收發(fā)模塊,其核心器件是Freescale公司的MCl3213。它是第2代標準ZigBee無線通信平臺,在9 mmx9 mmxl mm 7l引腳LGA封裝中集成有低功耗的2.4 GHz RF收發(fā)器和8位微控制器,MCl3213器件具有60 kB的閃存,MCl32lx解決方案能在簡單的點對點連接到完整的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡中用作無線連接,小占位面積封裝中的無線電收發(fā)器和微控制器的組合使其成為成本效益的解決方案,MCl321x中的RF收發(fā)器工作在2.4 GHzISM頻段,和802.15.4標準兼容,收發(fā)器包括低噪音放大器,1 mW的RF輸出功率,帶VCO的功率放大器(PA),集成的發(fā)送/接收開關,板內的電源穩(wěn)壓器以及完全的擴展頻譜的編碼和譯碼,MCl32lx中的微控制器基于HCS08系列微控制器單元(MCU),HCS08 A版本,高達60 kB的閃存和4 kB的RAM。
SZ05-ADV嵌入式無線通信模塊集成有符合ZIGBEE協(xié)議標準的射頻收發(fā)器和微處理器,其數(shù)據(jù)接口包括:TTL電平收發(fā)接口、標準串口RS2-32 數(shù)據(jù)接口,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播方式發(fā)送和目標地址發(fā)送模式。除可實現(xiàn)一般的點對點數(shù)據(jù)通信功能外,還可實現(xiàn)多點之間的數(shù)據(jù)通訊。其模塊連接電路如圖4所示。DATA、RUN、NET、ALARM為SZ05-ADV無線通信模塊的4個工作狀態(tài)指示端口,分別是數(shù)據(jù)收發(fā)、系統(tǒng)運行、網(wǎng)絡狀態(tài)和告警。 SLEEP引腳用來控制系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài),低電平進入低功耗,高電平或懸空正常運行。
485CTL引腳是485收發(fā)控制,模塊485接收時低電平輸出,發(fā)送時高電平輸出。CENTER、DEVICE引腳是節(jié)點功能配置接口,均為低電平有效,或分別與引腳tiao7、tiao8接跳線帽實現(xiàn),如這2個引腳都為高電平或懸空則為路由節(jié)點。CONFIG引腳是配置接口,低電平有效,或加跳線帽,可在超級終端中進入系統(tǒng)配置狀態(tài)。模塊標準工作電壓為DC-5V,正常工作電壓范圍為5~12V。數(shù)據(jù)接口有RS-232和TTL收發(fā)2種接口模式。 RS-232串口為TX2、RX2、SGND三線工作模式,TTL為TX1、RXl兩線工作模式,TTL電平為3.3V。RESET進入低電平狀態(tài)3s,系統(tǒng)進入配置狀態(tài),高電平或懸空狀態(tài)則進入工作狀態(tài)。
無線通信網(wǎng)絡節(jié)點按功能可分為中心協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點,中心協(xié)調器是網(wǎng)絡的中心節(jié)點,負責網(wǎng)絡的發(fā)起組織、網(wǎng)絡維護和管理功能;路由器負責數(shù)據(jù)的路由中繼轉發(fā),終端節(jié)點只進行本節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送。在該系統(tǒng)中,可以預先在計算機超級終端中對無線模塊進行節(jié)點類別、節(jié)點名稱和地址、無線頻點、網(wǎng)絡ID、波特率和數(shù)據(jù)類型的配置,配置正確后在上電時可以自動組成網(wǎng)絡。
3 軟件設計
系統(tǒng)程序開發(fā)采用C805lF系列單片機的專用集成開發(fā)環(huán)境Silicon Laboratories IDE,配置使用Keil C5l的匯編器、鏈接器和編譯器。利用C5l開發(fā)程序有利于系統(tǒng)程序的模塊化以及增加其可移植性,并能降低開發(fā)周期。系統(tǒng)軟件由主程序和A/D轉換、數(shù)據(jù)處理和通信這3個子程序組成,其中主程序部分包括系統(tǒng)初始化、調用A/D轉換、數(shù)據(jù)處理、串口發(fā)送等子程序。初始化部分包括:看門狗模塊初始設置、系統(tǒng)時鐘及復位源的設置、I/O端口初始化、串行通信接口初始化、A/D轉換的初始化及定時器初始化等。ADC0的最高轉換速度為。100 ks/-s,其轉換時鐘來源于系統(tǒng)時鐘分頻,分頻值保持在寄存器ADCOCF的ADCSC位。在該片上系統(tǒng)中需要采集8個通道,將采樣頻率設置為50 000次/s。選用的ADCO轉換啟動方式為定時器3溢出(即定時的連續(xù)轉換)方式。
4 試驗
在Silicon Laboratories IDE中將程序通過U-EC2專用編程器燒寫入C805117020后,將各個模塊連接進行調試,如圖5所示。8路傳感器信號(包括2路壓變傳感器,2路 -5~+5 V信號,2路4~20 mA信號和2路熱電偶信號)經(jīng)前端處理后送至MCU,經(jīng)A/D轉換和數(shù)據(jù)處理后通過串口輸出到Zigbee終端節(jié)點并在無線網(wǎng)絡中按目的地址模式或廣播模式發(fā)送,Zigbee中心協(xié)調器與上位機通過標準RS232串口連接,可以在超級終端或串口調試器中查看收到的數(shù)據(jù)。本研究側重于實驗開發(fā),電源模塊可采用將常見的220 V轉雙9 V變壓器,經(jīng)整流橋后,由LM7805、LM7905穩(wěn)壓輸出-5 V和+5 V的結構(3.3 V電壓可由AMSlll7模塊轉換后得到),實際應用中可設計專門的電源模塊以方便使用。試驗結果表明,系統(tǒng)可以實現(xiàn)2個終端節(jié)點的各自8路傳感器數(shù)據(jù)采樣,Zigbee無線網(wǎng)絡運行正常,在超級終端中可以看到試驗的實時數(shù)據(jù)。
5 結束語
本文設計的基于C805lF020和Zigbee無線網(wǎng)絡的汽車測試系統(tǒng)實現(xiàn)了汽車試驗中數(shù)據(jù)的無線傳輸,從而簡化了試驗現(xiàn)場布線,提高了試驗效率,一旦試驗事故發(fā)生,損失也大大減少,實驗證明了該系統(tǒng)取代傳統(tǒng)汽車測試系統(tǒng)的可行性,同時系統(tǒng)的擴展也比較容易,可以實現(xiàn)更多功能。本研究側重于Zigbee 無線網(wǎng)絡的應用開發(fā),可為Zigbee技術在傳感器網(wǎng)絡中的應用提供一定的參考,但局限于軟件程序系統(tǒng)和試驗的電磁干擾,該系統(tǒng)的同步機制和抗干擾性能有待于進一步研究。