基于C8051F和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(jié)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。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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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)。

　　無線通信網(wǎng)絡節(jié)點按功能可分為中心協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點，中心協(xié)調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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(zhuǎn)換的初始化及定時器初始化等。ADC0的最高轉(zhuǎn)換速度為。100 ks/-s，其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換啟動方式為定時器3溢出(即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)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(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(diào)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(diào)試器中查看收到的數(shù)據(jù)。本研究側(cè)重于實驗開發(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)，實際應用中可設計專門的電源模塊以方便使用。試驗結(jié)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(jié)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(cè)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。