基于C8051F的Zigbee無線網(wǎng)絡的汽車測試系統(tǒng)設計

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(nèi)部進行模數(shù)轉(zhuǎn)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(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行處理后送至單片機的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?qū)崿F(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(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可適當調(diào)整兩者的阻值。


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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)換器，1個8位A／D轉(zhuǎn)換器，2個12位D／A轉(zhuǎn)換器及2個模擬比較器。器件內(nèi)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(nèi)部振蕩器作為時鐘源。但由于內(nèi)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(nèi)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(diào)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(nèi)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)。