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基于ZigBee的无线测控系统设计.pdf

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2009年 第 8期  仪 表 技 术  ·57·  基 于 ZigBee的机 车 蓄 电池 监 测 系统 设 计  张 兴 波  (东 营 市科 学技 术 协 会 ,山 东 东 营 257091)  摘 要 :文 章 在 研 究 ZigBee协 议 的 基 础 上 ,从 蓄 电 池 监 测 的 实 际 需要 出发 ,设 计 了 一 种 具 有 实用 价 值 的 机 车 蓄 电 池 在 线 监 测 系  统 。 该 系统 采 用 AVR单 片机 和 CC2420无 线 通 信模 块 ,通 过 自组 织 方 式 形 成 网络 ,具 有 可 靠 性 高 、节 点 成 本 低 、网 络 可 扩 展 性 好 等  优 点 ,可 为机 车安 全运 行 提 供 技 术 保 障 。  关 键 词 :ZigBee;蓄 电池 ;机 车 ;节 点  中图 分 类 号 :TM930  文 献 标 识 码 :B  文章 编 号 :1006—2394(2009)08—0057—03  Design of a VRLA Detect System  in Locom otive Based on ZigBee  ZHANG Xing—bo  (Dongying Association for Science and Technology,Dongying 25709 1,China)  Abstract:On the base of ZigBee protocol, a practical VRLA detect system is designed according to the actual  requirements. The low energy consumption M CU —AVR and wireless com munication module CC2420 are used in this  system . It forms network by wireless comm unication and has a high credibility,low cost and good extension. Therefore,  it provides technical surport for safety of the locom otive.  Key w ords: ZigBee;V RLA ; locom otive;node  0  引 言  由于具 有 容量 大 、电压稳 定 、免维 护 、无污 染 、无记  忆 效应 、不腐 蚀设 备 等特 点 ,免维 护铅 酸蓄 电池 已被 广  泛 应用 于铁 路 、通信 、电 力 、航 空 航 天 等 领 域 。免 维 护  铅 酸 蓄电池 在铁 路机 车 上 运 用 已有 7、8年 的 时 间 ,它  作 为机 车控 制 电路 的后 备 电源 ,主要 为起 动 内燃 机 车  柴 油机 和 电力机 车 升 弓受 流 前 的准 备 工 作 提供 电 流 ,  同时也 为机 车控 制 电路 主 电源 故 障 时 提 供 后 备 电 源 ,  维 持机 车故 障运行 。  但是 在 机车 上经 过 一 段 时 间 的 运 行 后 ,免 维 护 蓄  电池 陆续 出现 内部 活性 物质 脱 落 、电解液 干 涸 、极 板 变  形 、极板腐 蚀 、硫化 和 外 壳 变 形 等 现 象 ,导 致 容 量 降 低  甚 至失效 ,引 发机 车机 破 ,对 铁路 运 输秩 序造 成 了不 良  影 响 。  本文 提 出一 种 机 车 蓄 电 池 在 线 监 测 系 统 设 计 方  案 ,该 方案 采 用 Atmega128L作 为 主 控 制 器 ,基 于 Zig—  Bee技 术 搭 建 无 线 网 络 ,将 采 集 的 数 据 传 输 至 主 控 制  模块 ,实 时监 测蓄 电池性 能 。  1  ZigBee技 术 概 述  ZigBee是 IEEE802.15.4的扩展集 ,是 一种 近距 离 、  低 速率 、低功耗 、低 成本 、短 时延 的双 向无 线通信技术 。  ZigBee技术 的 主要 特点包 括 以下几 个部 分 :  (1) 数据 传 输 速 率 低 ,只 有 10~250kbit/s,专 注  于低 速传 输应 用 ;  (2) 功耗 低 ,在低耗 电待机模 式 下 ,2节 普通 5号  干 电池可 使用 6个 月 以上 ;  (3)成 本低 ,因为 ZigBee数 据 传输 速率 低 ,协 议  简单 ,所 以大 大降低 了成本 ;  (4) 网 络 容 量 大 ,每 个 ZigBee网 络 最 多 可 支 持  255个 设 备 ;  (5) 有效 范 围小 ,有 效 覆 盖 范 围 10~75m 之 间 ,  具 体依 据实 际发 射功 率 的大小 和 各种不 同的应用 模式  而 定 ;  (6)工 作频 段 灵 活 ,使 用 的频 段分 别 为 2.4GHz、  868MHz欧 洲 及 915MHz美 国 ,均 为 免 执 照 频 段 。  2 系统 体 系 架 构  本 监测 系 统 由主 控 节点 和 采 集 节 点 组成 ,按 功 能  划 分为 :数 据采集 、网络传 输 、数 据 转储 、监测 预警 和调  度 管理 。  数据 采 集部分 主 要负 责 电压 的数 据 采集 。 网络传  输包 含有 线 传输 和无 线 传 输 ,有 线 传 输将 采 集 的 电压  收 稿 13期 :2009—03  作 者 简 介 :张 兴 波 (1974一 ),男 ,工 程 师 ,主 要 从 事 科 普 、学 术 交 流 和 电 子技 术 工 程 等 方 面 的研 究 。  · 58·  仪 表 技 术  2009年第 8期  数据传输 给采集模 块 ,无 线传 输 将 网络节 点 的信 息 通  过 ZigBee收发 模 块 传 输 到 主控 制 模 块 。调 度 管 理 通  过 ZigBee技术 负责对 采集模 块 的节 点 ID号 进行 重 新  配 置 。监测 预警功 能 由主控模 块 完 成 ,收 集采 集 节 点  发 回的 电压 数 据并 通 过 LCD 显示 。数 据 转 储 部 分 由  USB模块将 采集 的数据导 人 u盘 ,以便 于地 面分 析软  件分 析数据 。  3 系统 硬 件 设 计  写状 态 寄存器 等 。通过 控制 FIFO 和 FIFOP管 脚接 口  的状 态可设 置发 射/接 收缓 存 器 。 电压采 集 保 护 电路  主要 是防止 微处理 器 的 AD转 换 端 El在 意外情 况下被  烧 毁 ,保 护器 件 。采 集节 点接 口原理 图如 图 1所示 。  保 护 电路   蓄  电  池  3.1 芯 片 选 型  处理 器采用 AVR单 片机 的 Atmega系列 。主控 节  点 采 用 Atmega128L MCU,采 集 节 点 采 用 Atmegal6L  MCU。Atmega系列单 片机显著 的特点 是符合 JTAG标  准 的边界 扫描 功 能 、支 持 扩 展 的片 内调 试 功 能 ,通 过  TDI  呈 TDO  TM S  TCK  塞 S COS  L nTKX RX—SWRI  TFC HNHf \囊二’二  CC2420  l  JTAG接 口实 现对 Flash、EEPROM、熔 丝 位 和锁 定 位 的  编程 。它 的外 设极 为 丰 富 ,有 8路 10位 ADC、2个 可  编程 的串行 USART和可 工 作 于主 机/从 机模 式 的 SPI  串行 接 口等 。Atmega系 列单 片 机 采 用 8位 RISC结  构 ,其丰 富 的寻址 方式 、简 洁 的 内核指 令 、较 高 的处 理  速度 (8MHz晶体 驱 动 ,指令 周 期 125ns)、大量 的寄 存  P   P  P  P   5C  4C  3C   2C     器 以 及 片 内 数 据 存 储 器 使 之 具 有 强 一 _1大   0的I_g 《处 理 能 力 ;另  图 1  采 集 节 点 接 口原 理 图  主控 节 点 包括 主 控 制 芯 片 ATmega128L、JTAG调  试 接 口、USB模 块 、LCD显 示模 块 、W25X32存储 芯片 、  CC2420芯 片和射 频 接 收 发射 模 块 。JTAG 调试 接 口、  CC2420芯 片和射频 接 收 发射 模 块 与采 集 节 点 接法 类  似 ,在此不 再详述 。MCU通过 并 口 PA 口与 USB模 块  外 ,它的运行 环境温 度范 围为 一40℃ ~85℃ ,可 以适 应  各种恶 劣 的环境 。  Ol耋 2 3  一0~ K S  CC2420 是 Chipcon 公 司 推 出 的 一 款 符 合  IEEE802.15.4规 范 的 2.4GHz射 频 芯 片 ,由频 率 合 成  连接 ,提高 了对 u盘 的读 写 速 度 ,减 少 了时 间 。 由于  程序对 USB模 块采用 查询 方法 ,所 以不需 要 占用 控 制  器 的 中 断 端 口。 MCU 利 用 PB7 和 PB6 连 接  LMS0192A的 sI和 SCL端 口,模 拟 串行 方 式 实 现 对  器 、接 收解调器 、功率 放大 器 、晶体 振 荡 器和 调 制 器组  LCD模块 的 控制 。由 于 SPI接 口被 CC2420占用 ,故  成 。它采 用高抗 干扰 o.QPSK调制 ,数 据速 率 250kbit!  利用 模拟 方式实 现对存 储芯 片 W25X32的控 制 。主 控  s,发射功率 可调 ,抗 邻 频 道 干 扰 能力 强 (39dB),独 特  节点 接 口原理 图如 图 2所 示 。  的载波检测 输 出、数 据 就 绪 输 出 、地 址 匹 配输 出 ,自动  产 生前导码 和 CRC,使用 SPI接 口与微 处理 器通信 ,配  置非 常方 便 。此外 ,CC2420的工作 电压 范 围为 2.1~  厂  U^ U、   D 1  D 2  D3  rAI J  PA  …rA z …  l - U  PF3  r  u^  。,  、  《  W R  g  3.6V,其 电流消耗 很低 ,发射 电流 约为 17.4mA,接 收 电  流约为 19.4mA,待 机 电流 约 为 2txA,能够满 足 系 统 高  PA5  PB6  P C  ’  PA  T  b| ———   刍  /  性能低 功耗 的需要 。  3.2 节点 硬件 电路 设计  节点硬 件 电路 设计 主要包 括主控 节点 和采集 节点  2部分 。 由于 监测 对 象 是 机 车 蓄 电池 ,电源 可 由蓄 电  池 的电压通 过 DC/DC模 块转换 而来 ,简化 系统对 电源  的设 计 。  采 集 节点 主 要包 括 主 控 制芯 片 Atmegal6L、JTAG  3 INT P I 尊、 AO  W R  RD  STA  r乙 l  …rLO  1  CS  、  .  /  厂  、  厂 塞  黧 Mso SI SI0C  LKT XRX SWRITFC HNP  C  /  调试接 口、电压 采 集保 护 电路 、CC2420芯 片 和 射 频 接  收发射模 块 。Atmegal6L通过 (TDI、TDO、TMS、TCK)4  图  主 控 节 点接 原理 图  线连接 JTAG调试 接 口,符 合 JTAG标 准 ,方 便 在线 调  试。CC2420可 以通 过 4线 SPI总 线 (SI、SO、SCLK、  CSn)设置芯片 的工 作模式 ,并实 现读/写缓 存数 据 、读/  系 统 软 件 设 计  系统 软件设 计 主要 包 括 采集 节 点 发送 接 收程 序 、  2009年第 8期  仪 表 技 术  ·59·  电压采 集程 序 、主控 制 器 发送 接 收 程 序 、LCD显 示 程  序 、W25X32存储 和读 出程 序 、USB模块 转储 数 据等 。  采 集节 点 发送接 收 程 序 流 程 如 图 3所 示 ,采 集 节  点 首先 采集 电压 ,然 后 等 待 主 机 命令 。 当采 集 节 点 接  收 到数据 后 ,单 片机核 对节 点 ID号 ,如 ID号不是 本 机  则将 其发 送 到与 其相 连 通 的 下 一级 节 点 ,并 重 新 进 入  接 收状态 ;反 之 ,采 集 节 点 将 现 场 的数 据 打包 ,并 发 给  主控 制器 ,然后 重新 进入 接 收状 态 。  就 可 以通 过 U盘 对 机 车 蓄 电池 电压 进 行 分 类 归 档 建  立 专 家数 据库 ,以保 证 机 车 的 安全 运 行 。其他 程 序 在  此 不 再详 细叙 述 。  5  结束语  本 项 目根 据实 际需 要完 成 了机 车蓄 电池在线 监测  系 统 的整体 架构 设计 和底 层 硬 件 的具 体 实 现 ,较好 地  达 到 了预期 目的 。系统 充分 利 用 了 ZigBee低 速率 、低  功耗 、低 成本 和 自配 置 的 特 点 ,为 蓄 电池 质量 分 析 、提  高 寿命 和降 低人 力成 本 提 供 了有 力 的技术 保 证 ,同 时  也为 提 高机 车质 量和 铁路 运输 安全 打下 了 良好 基 础 。  参 考文献 :  图 3  采 集 节 点 流 程 图  主控 节 点 流程 图如 图 4所 示 ,主程 序 首 先 设 定 车  次 号和 时 间 ,便 于数 据分 析 ,然后 进入 检测 界面 。主控  制 器不停 地 巡检 蓄 电池 电压 ,当 接 收 到采 集 节 点 的数  据后 ,比较 两 次 的 电压 值 ,当 符 合 要 求 时 才 存 入 存 储  器 ,节约 存 储 空 间 。此 外 我 们 在 程 序 中 留 有 USB接  口 ,可 以通 过 USB模 块 向 u盘 发 送 数 据 ,这 样 地 面 站  图 4 主控 节 点 流 程 图  [1]ZigBee Specification Document 053474r13[G].ZigBee Stand—  ards Organization,2006.  [2]ATmegal6(L) Datasheet doc2466[G].Atmel Corporation,  2008.  [3]ATmega1 28(L)Datasheet doc2467[G].Atmel Corporation,  2008.  [4]2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee—ready RF Transceiver CC2420  [G].Texas Instruments Cor poration,2007.  (郁菁 编发 )  日前 ,美 国 国 家 仪 器 有 限 公 司 (National Instruments,简 称  NI)推 出 最 新 配 备 Intel酷 睿 双 核 19400处 理 器 的 NI PXIe一  8108高 性 能 嵌 入 式 控 制 器 ,它 可 显 著 缩 短 PXI Express和 基 于  CompactPCI Express自 动 化 测 试 系 统 的 测 试 时 间 。 在 各 类 测  试 、测 量 和 控 制 应 用 中 ,工 程 师 们 都 可 以使 用该 款 3U 嵌 入 式 控  制 器 ,并 配 合 任 何 PXI Express机 箱 来 创 建 紧 凑 的 、高 性 能 的 基  于 PC 的 平 台 。 凭 借 配 备 的 2.53GHz双 核 处 理 器 、800MHz  DDR2 内存 和 1GB/s总 系 统 带 宽 ,NI PXIe一8108成 为 高 级 射 频  和 无 线 测 试 应 用 、高 吞 吐 量 数 据 采 集 系 统 和 其 他 需 要 密 集 分  析 、信 号 或 图 像 处 理 等 应 用 的理 想 选 择 。  由于 射 频 和无 线 应 用 的 测 试 速 度 和 测 试 系 统 控 制 器 的 计  算 性 能 紧 密 相 关 ,NI PXIe一8108可 有 效 优 化 射 频 和 无 线 测 试   应 用 。相 比 同类 型 基 于 旧 版 本 的 NI嵌 入 式 控 制 器 ,NI PXle一  8108控 制 器 可 最 高 提 升 25% 的 性 能 ,帮 助 工 程 师 们 在 控 制 器  上 的 投 资 上 获 得 最 大 化 的 收 益 ,这 体 现 在 它 显 著 缩 短 了包 括 无  线 局 域 网 (WLAN)测 试 在 内 的 射 频 和 无 线 测 试 的 时 间 。利 用  NI PXIe一8108,NI在 其 他 射 频 和 无 线 协 议 (包 括 WiMAX,GPS,  ZigBee和 RFID)的测 试 中 ,也 有 效 缩 短 了测 试 时 间 。  NI LabVIEW 图形 化 系统 设 计 软 件 是 一 款 天 生 支 持 多 线 程  应 用 的 开 发 环 境 ,它 可 以最 大 化 地 利 用 NI PXIe一8108中 的 In.  tel酷 睿 双核 T9400处 理 器 的 双 核 优 势 ,将 任 务 分 配 至 不 同 的  线 程 中 ,并 同时 执 行 这 些 线 程 。这 种 特 性 可 以 帮 助 工 程 师 们 充  分 利 用 处 理 器 的计 算性 能 ,优 化 处理 任 务 ,缩 短 测 试 时 间 。 

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