- 基于C8051F的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的汽車測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)
- 軟件設(shè)計(jì)
- 試驗(yàn)
汽車試驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中各種問題的重要手段，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果能對汽車各種性能做出客觀的評價(jià)。作為汽車工業(yè)的基礎(chǔ)工程之一，汽車試驗(yàn)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(yàn)工程的關(guān)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(shè)備等元件，為實(shí)現(xiàn)對汽車各項(xiàng)性能的測試而組成的有機(jī)整體，汽車測試系統(tǒng)的性能往往對整個(gè)汽車試驗(yàn)的效用產(chǎn)生重要影響。現(xiàn)有的汽車測試系統(tǒng)多采用有線連接，該方式存在2個(gè)弊端：1)汽車試驗(yàn)需在大型專用試驗(yàn)場或典型地域等惡劣環(huán)境中進(jìn)行，現(xiàn)場布線任務(wù)繁瑣且易出錯(cuò)；2)一些汽車試驗(yàn)如蛇形試驗(yàn)具有高危險(xiǎn)性，對能夠減少試驗(yàn)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(jī)為控制核心，基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)汽車試驗(yàn)中性能參數(shù)的測試，縮短了現(xiàn)場布線時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率，且在試驗(yàn)事故發(fā)生時(shí)減少事故損失。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
汽車試驗(yàn)主要包括動力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性和排放特性等測試項(xiàng)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(yàn)中的動態(tài)運(yùn)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(jī)內(nèi)部進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后通過串口實(shí)現(xiàn)與Zigbee終端節(jié)點(diǎn)的連接，再由終端節(jié)點(diǎn)在WLAN中將數(shù)據(jù)發(fā)出，Zi-gbee中心節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。中心節(jié)點(diǎn)也可將上位機(jī)的命令發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，控制終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 前端處理模塊
傳感器將各種常見的非電量信號轉(zhuǎn)換為電量信號，一般都較微弱，前端處理模塊將這些信號進(jìn)行處理后送至單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)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(gè)外部電阻設(shè)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(diǎn)。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?qū)崿F(xiàn)該路信號的參考電壓和模擬地的計(jì)算。
熱電偶傳感器用來測量汽車關(guān)鍵部件溫度，其前端處理電路采用OP07的可調(diào)增益放大電路。OP07是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調(diào)電壓，低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)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(diào)電壓可忽略，該電路中R25和R24用來調(diào)整系統(tǒng)放大倍數(shù)，在選用不同類別的熱電偶時(shí)可適當(dāng)調(diào)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(jī)，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU器件，具有64個(gè)數(shù)字I／O引腳。該單片機(jī)采用高速805l微控制器內(nèi)核，速度可達(dá)25 MI／s，具有8個(gè)I／O口，5個(gè)通用定時(shí)器，5個(gè)捕捉／比較模塊及專用看門狗定時(shí)器，可同時(shí)使用SM-Bus，SPI及2個(gè)UART串口，內(nèi)置64 kB高速存儲器。模擬外設(shè)方面，器件具有1個(gè)12位A／D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)12位D／A轉(zhuǎn)換器及2個(gè)模擬比較器。器件內(nèi)部的這些數(shù)字和模擬外設(shè)使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更簡單，集成度更高。
本模塊主要設(shè)計(jì)C8051F020的復(fù)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(kuò)展應(yīng)用。系統(tǒng)需要高速運(yùn)行才能及時(shí)、有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以單片機(jī)在一般情況下采用內(nèi)部振蕩器作為時(shí)鐘源。但由于內(nèi)部時(shí)鐘的誤差太大，在串口通訊的過程中，要選用外部時(shí)鐘，通過軟件設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時(shí)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(gè)獨(dú)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(diǎn)模塊
本文研究的汽車測試系統(tǒng)初步采用2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)中心協(xié)調(diào)器組成星狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，3個(gè)節(jié)點(diǎn)均選用SZ05-ADV型無線收發(fā)模塊，Zig-bee終端節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)串口分別與C8051F020模塊和 PC設(shè)備相連接，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)對點(diǎn)連接到完整的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)，板內(nèi)的電源穩(wěn)壓器以及完全的擴(kuò)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)串口RS2-32 數(shù)據(jù)接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播方式發(fā)送和目標(biāo)地址發(fā)送模式。除可實(shí)現(xiàn)一般的點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)通信功能外，還可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)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(gè)工作狀態(tài)指示端口，分別是數(shù)據(jù)收發(fā)、系統(tǒng)運(yùn)行、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和告警。 SLEEP引腳用來控制系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，低電平進(jìn)入低功耗，高電平或懸空正常運(yùn)行。
485CTL引腳是485收發(fā)控制，模塊485接收時(shí)低電平輸出，發(fā)送時(shí)高電平輸出。CENTER、DEVICE引腳是節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，如這2個(gè)引腳都為高電平或懸空則為路由節(jié)點(diǎn)。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(jìn)入系統(tǒng)配置狀態(tài)。模塊標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入低電平狀態(tài)3s，系統(tǒng)進(jìn)入配置狀態(tài)，高電平或懸空狀態(tài)則進(jìn)入工作狀態(tài)。
無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按功能可分為中心協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，中心協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理功能；路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)，終端節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。在該系統(tǒng)中，可以預(yù)先在計(jì)算機(jī)超級終端中對無線模塊進(jìn)行節(jié)點(diǎn)類別、節(jié)點(diǎn)名稱和地址、無線頻點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)ID、波特率和數(shù)據(jù)類型的配置，配置正確后在上電時(shí)可以自動組成網(wǎng)絡(luò)。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序開發(fā)采用C805lF系列單片機(jī)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(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和通信這3個(gè)子程序組成，其中主程序部分包括系統(tǒng)初始化、調(diào)用A／D轉(zhuǎn)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(shè)置、系統(tǒng)時(shí)鐘及復(fù)位源的設(shè)置、I／O端口初始化、串行通信接口初始化、A／D轉(zhuǎn)換的初始化及定時(shí)器初始化等。ADC0的最高轉(zhuǎn)換速度為。100 ks／-s，其轉(zhuǎn)換時(shí)鐘來源于系統(tǒng)時(shí)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(gè)通道，將采樣頻率設(shè)置為50 000次／s。選用的ADCO轉(zhuǎn)換啟動方式為定時(shí)器3溢出(即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換)方式。
4 試驗(yàn)
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(gè)模塊連接進(jìn)行調(diào)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(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后通過串口輸出到Zigbee終端節(jié)點(diǎn)并在無線網(wǎng)絡(luò)中按目的地址模式或廣播模式發(fā)送，Zigbee中心協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)RS232串口連接，可以在超級終端或串口調(diào)試器中查看收到的數(shù)據(jù)。本研究側(cè)重于實(shí)驗(yàn)開發(fā)，電源模塊可采用將常見的220 V轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)(3．3 V電壓可由AMSlll7模塊轉(zhuǎn)換后得到)，實(shí)際應(yīng)用中可設(shè)計(jì)專門的電源模塊以方便使用。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的各自8路傳感器數(shù)據(jù)采樣，Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常，在超級終端中可以看到試驗(yàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
5 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的基于C805lF020和Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的汽車測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了汽車試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的無線傳輸，從而簡化了試驗(yàn)現(xiàn)場布線，提高了試驗(yàn)效率，一旦試驗(yàn)事故發(fā)生，損失也大大減少，實(shí)驗(yàn)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(shí)系統(tǒng)的擴(kuò)展也比較容易，可以實(shí)現(xiàn)更多功能。本研究側(cè)重于Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)，可為Zigbee技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提供一定的參考，但局限于軟件程序系統(tǒng)和試驗(yàn)的電磁干擾，該系統(tǒng)的同步機(jī)制和抗干擾性能有待于進(jìn)一步研究。
