ZigBee無線網(wǎng)絡技術的自動控制系統(tǒng)研究論文
前言
隨著自動控制系統(tǒng)的發(fā)展，其在越來越多的行業(yè)中發(fā)揮了重要的作用。當前系統(tǒng)中的設備通過電纜來連接，從而形成了很大的限制性，為了拓寬系統(tǒng)控制的范圍，在系統(tǒng)中應用了ZigBee無線網(wǎng)絡技術，這種技術具備成本低、易維護、自我修復等優(yōu)點，可以實現(xiàn)遠程自動控制。與現(xiàn)有的自動控制系統(tǒng)有線網(wǎng)絡相比，基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的自動控制系統(tǒng)將會具備更加優(yōu)越的性能，從而提升運行的穩(wěn)定性及可靠性。
1自動控制系統(tǒng)的硬件設計
1.1發(fā)射模塊
傳感器在進行信號發(fā)送時，發(fā)送的為4~20mA的標準電流信號，發(fā)射模塊接收到信號之后，需要對信號進行轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡姶挪o線之后在發(fā)射出去，而這就是發(fā)射模塊的功能。發(fā)射模塊的硬件具有固定的結(jié)構(gòu)，接收到傳感器的信號之后，首先由I/V變換電路對信號進行變換，經(jīng)過變換之后，標準電流信號由4~20mA變?yōu)?~5V，隨后，變化之后的信號經(jīng)過零點遷移電路，成為0~4V電壓，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器以及單片機之后，變成電磁波無線信號，實現(xiàn)與下位機之間的通信。在進行發(fā)射模塊硬件電路設計時，首先要對使用的元器件進行了解，在自動控制系統(tǒng)中，所使用的微控制器的型號為P89LPC935，該型號為單片封裝，處理器結(jié)構(gòu)的性能非常高，在執(zhí)行命令時，所需的時間比較少，同時，此種型號的微控制器中集合了很多系統(tǒng)級的功能，使用之后可以大量的減少元器件的`數(shù)量，降低系統(tǒng)成本；射頻芯片的型號為CC1100，此種芯片具備可編程的特點，而且與ZigBee協(xié)議之間具備較高的一致性，在低功耗無線應用中，適用性非常強；ADS7829是發(fā)射模塊硬件電路中一個重要的元件，此種型號的元件所具備的采樣速率是非常快的；在I/V變換電路中，主要的功能就是信號變換，在選擇元件時，采用了無源I/V變換；零點遷移電路為LM358，在LM358內(nèi)部，設置了兩個雙運算放大器，這兩個部件之間相互獨立，在單電源中具備比較高的適用性。在明確電路元器件的型號和功能之后，就需要進行發(fā)射模塊硬件電路設計。
1.2接收模塊
接收模塊硬件電路設計的步驟與發(fā)射模塊是相同的，首先需要明確各個元器件的型號及功能。在接收模塊中，包含四個部分：射頻芯片、單片機、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換電路。實際上，接收模塊的工作流程就是將發(fā)射模塊逆過來。D/A轉(zhuǎn)換器選擇的型號為TLV5617，此種芯片的接口為SPI接口，輸入時的通道為單個，輸出時的通道為雙通道，芯片的輸入端與發(fā)射模塊單片機的接口需要進行有效地連接；V/I轉(zhuǎn)換器選擇的為集成的AD694型號，通過轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，將接收到的信號還原為4~20mA標準電流信號。這兩個部分的元件型號確定之后，就需要根據(jù)其功能及相關的要求來進行電路設計。
1.3PCB電磁兼容
在進行PCB設計的過程中，電磁兼容是必須要考慮的，只有電磁兼容性能比較優(yōu)異，才能保證PCB設計的合理性及科學性，具體說來，應該注意四個方面的問題：①在進行電源線設計時，為了將環(huán)路電阻減少，就需要將電源線的寬度增加，同時，在進行電源線的走向設計時，要與數(shù)據(jù)傳遞的方向保持一致，這樣一來，抗噪聲的能力才會比較好；②在進行集成芯片的電源輸入設計時，要設置濾波電容，位置為電源輸入腳；③為了保證晶振的正常運轉(zhuǎn)，在晶振信號線附近要避免其他信號的穿過；④為了將寄生耦合降低，元件面與焊接面之間不能出現(xiàn)平行。
2自動控制系統(tǒng)的軟件設計
2.1需解決的問題
自動控制系統(tǒng)在應用ZigBee無線網(wǎng)絡技術進行軟件設計時，首先需要解決可靠性以及延時兩個方面的問題。對于可靠性，要從硬件設計及軟件設計兩個方面來保證，通過電路的合理設計以及軟件的科學編程，來提升自動控制系統(tǒng)運行的可靠性；對于延時，延時的存在會在很大程度上影響系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，不過在系統(tǒng)中應用了ZigBee技術之后，延時問題也被有效的解決。這樣一來，通過ZigBee無線網(wǎng)絡技術在自動控制系統(tǒng)中的應用，有效的解決了可靠性及延時的問題。
2.2發(fā)射模塊
①進行初始化程序設計。針對微控制器的型號，在進行軟件設計時，就需要選擇I/O口輸出模式，為了保證I/O輸出模式的正常使用，I/O口模式要保證正確的配置，通常來說，I/O口配置寄存器決定了其模式。I/O口模式配置完成之后，需要進行SPI寄存器初始化，在SPI寄存器中，包含主模式和從模式兩種操作形式，這兩種模式所具備的速率是非常快的。初始化完成之后，要將開門狗關閉，并將外部中斷開啟。②CC1100初始化程序設計。在CC1100中，微控制器為其接口顯示，在進行初始化程序設計時，要對寄存器進行正確的配置。③發(fā)射模塊軟件程序設計。無線收發(fā)模塊的電源來源為電池，為了保證其具備較長的使用壽命，就需要將系統(tǒng)的工作時間盡量的減低，在非工作狀態(tài)時，系統(tǒng)需要處于睡眠狀態(tài)，基于此，LPC935在工作時，采用的方式為定時采樣中斷，采樣完成之后，就會進入到睡眠狀。
2.3接收模塊
在進行了一段時間的控制之后，CC1100將會自動終止接收，這是CC1100具備的一個可選功能，稱之為電磁波激活。也就是說，CC1100在工作的過程中，接收等待狀況并不是一直持續(xù)的，而是接收等待狀況以及深度休眠狀態(tài)各維持一定的時間，這樣一來，在對數(shù)據(jù)信號進行偵測時，就可以不借助MCU的作用。CC1100在進行偵測時，如果偵測到數(shù)據(jù)信號，就會將信號發(fā)送給LPC935，如果此時LPC935處于休眠的狀態(tài)，CC1100就會向其發(fā)送一個外部中斷信號，LPC935接收之后進行相應的反應，同時進行數(shù)據(jù)信號的接收，數(shù)據(jù)信號接收完畢并檢測地址正確之后，就會向發(fā)送模塊發(fā)出已接收的應答信號。這一系列的過程完成之后，會再次進入到休眠狀態(tài)，直到再有數(shù)據(jù)信號傳來時，才能被激活。
3結(jié)論
在自動控制系統(tǒng)中，通過ZigBee無線網(wǎng)絡技術的應用，將電纜連接時存在的范圍限制解除，從而提升了自動控制系統(tǒng)的控制范圍，同時，經(jīng)過科學的硬件電路以及軟件設計之后，自動控制系統(tǒng)的性能得到顯著的提升，在運行的過程中，有效的保證了運行的穩(wěn)定性及可靠性。基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的自動控制系統(tǒng)在不斷完善的過程中，將會具備更加廣闊以及深入的應用前景。
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