ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)研究論文

　　前言

　　隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，其在越來(lái)越多的行業(yè)中發(fā)揮了重要的作用。當(dāng)前系統(tǒng)中的設(shè)備通過(guò)電纜來(lái)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(yīng)用了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這種技術(shù)具備成本低、易維護(hù)、自我修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。與現(xiàn)有的自動(dòng)控制系統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)將會(huì)具備更加優(yōu)越的性能，從而提升運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性。

　　1自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　1.1發(fā)射模塊

　　傳感器在進(jìn)行信號(hào)發(fā)送時(shí)，發(fā)送的為4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，發(fā)射模塊接收到信號(hào)之后，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡姶挪�無(wú)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(hào)之后，首先由I/V變換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換，經(jīng)過(guò)變換之后，標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)由4~20mA變?yōu)?~5V，隨后，變化之后的信號(hào)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)遷移電路，成為0~4V電壓，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)之后，變成電磁波無(wú)線信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間的通信。在進(jìn)行發(fā)射模塊硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)使用的元器件進(jìn)行了解，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，所使用的微控制器的型號(hào)為P89LPC935，該型號(hào)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(shí)，所需的時(shí)間比較少，同時(shí)，此種型號(hào)的微控制器中集合了很多系統(tǒng)級(jí)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(hào)為CC1100，此種芯片具備可編程的特點(diǎn)，而且與ZigBee協(xié)議之間具備較高的一致性，在低功耗無(wú)線應(yīng)用中，適用性非常強(qiáng)；ADS7829是發(fā)射模塊硬件電路中一個(gè)重要的元件，此種型號(hào)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(hào)變換，在選擇元件時(shí)，采用了無(wú)源I/V變換；零點(diǎn)遷移電路為L(zhǎng)M358，在LM358內(nèi)部，設(shè)置了兩個(gè)雙運(yùn)算放大器，這兩個(gè)部件之間相互獨(dú)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(hào)和功能之后，就需要進(jìn)行發(fā)射模塊硬件電路設(shè)計(jì)。

　　1.2接收模塊

　　接收模塊硬件電路設(shè)計(jì)的步驟與發(fā)射模塊是相同的，首先需要明確各個(gè)元器件的型號(hào)及功能。在接收模塊中，包含四個(gè)部分：射頻芯片、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換電路。實(shí)際上，接收模塊的工作流程就是將發(fā)射模塊逆過(guò)來(lái)。D/A轉(zhuǎn)換器選擇的型號(hào)為TLV5617，此種芯片的接口為SPI接口，輸入時(shí)的通道為單個(gè)，輸出時(shí)的通道為雙通道，芯片的輸入端與發(fā)射模塊單片機(jī)的接口需要進(jìn)行有效地連接；V/I轉(zhuǎn)換器選擇的為集成的AD694型號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，將接收到的信號(hào)還原為4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。這兩個(gè)部分的元件型號(hào)確定之后，就需要根據(jù)其功能及相關(guān)的要求來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

　　1.3PCB電磁兼容

　　在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的過(guò)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(shè)計(jì)的合理性及科學(xué)性，具體說(shuō)來(lái)，應(yīng)該注意四個(gè)方面的問(wèn)題：①在進(jìn)行電源線設(shè)計(jì)時(shí)，為了將環(huán)路電阻減少，就需要將電源線的寬度增加，同時(shí)，在進(jìn)行電源線的走向設(shè)計(jì)時(shí)，要與數(shù)據(jù)傳遞的方向保持一致，這樣一來(lái)，抗噪聲的能力才會(huì)比較好；②在進(jìn)行集成芯片的電源輸入設(shè)計(jì)時(shí)，要設(shè)置濾波電容，位置為電源輸入腳；③為了保證晶振的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在晶振信號(hào)線附近要避免其他信號(hào)的穿過(guò)；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(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　2.1需解決的問(wèn)題

　　自動(dòng)控制系統(tǒng)在應(yīng)用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要解決可靠性以及延時(shí)兩個(gè)方面的問(wèn)題。對(duì)于可靠性，要從硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面來(lái)保證，通過(guò)電路的合理設(shè)計(jì)以及軟件的科學(xué)編程，來(lái)提升自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；對(duì)于延時(shí)，延時(shí)的存在會(huì)在很大程度上影響系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，不過(guò)在系統(tǒng)中應(yīng)用了ZigBee技術(shù)之后，延時(shí)問(wèn)題也被有效的解決。這樣一來(lái)，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，有效的解決了可靠性及延時(shí)的問(wèn)題。

　　2.2發(fā)射模塊

　　①進(jìn)行初始化程序設(shè)計(jì)。針對(duì)微控制器的型號(hào)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，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(lái)說(shuō)，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(jìn)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(kāi)門狗關(guān)閉，并將外部中斷開(kāi)啟。②CC1100初始化程序設(shè)計(jì)。在CC1100中，微控制器為其接口顯示，在進(jìn)行初始化程序設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)寄存器進(jìn)行正確的配置。③發(fā)射模塊軟件程序設(shè)計(jì)。無(wú)線收發(fā)模塊的電源來(lái)源為電池，為了保證其具備較長(zhǎng)的使用壽命，就需要將系統(tǒng)的工作時(shí)間盡量的減低，在非工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)需要處于睡眠狀態(tài)，基于此，LPC935在工作時(shí)，采用的方式為定時(shí)采樣中斷，采樣完成之后，就會(huì)進(jìn)入到睡眠狀。

　　2.3接收模塊

　　在進(jìn)行了一段時(shí)間的控制之后，CC1100將會(huì)自動(dòng)終止接收，這是CC1100具備的一個(gè)可選功能，稱之為電磁波激活。也就是說(shuō)，CC1100在工作的過(guò)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(shí)間，這樣一來(lái)，在對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行偵測(cè)時(shí)，就可以不借助MCU的作用。CC1100在進(jìn)行偵測(cè)時(shí)，如果偵測(cè)到數(shù)據(jù)信號(hào)，就會(huì)將信號(hào)發(fā)送給LPC935，如果此時(shí)LPC935處于休眠的狀態(tài)，CC1100就會(huì)向其發(fā)送一個(gè)外部中斷信號(hào)，LPC935接收之后進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的接收，數(shù)據(jù)信號(hào)接收完畢并檢測(cè)地址正確之后，就會(huì)向發(fā)送模塊發(fā)出已接收的應(yīng)答信號(hào)。這一系列的過(guò)程完成之后，會(huì)再次進(jìn)入到休眠狀態(tài)，直到再有數(shù)據(jù)信號(hào)傳來(lái)時(shí)，才能被激活。

　　3結(jié)論

　　在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，將電纜連接時(shí)存在的范圍限制解除，從而提升了自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制范圍，同時(shí)，經(jīng)過(guò)科學(xué)的硬件電路以及軟件設(shè)計(jì)之后，自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能得到顯著的提升，在運(yùn)行的過(guò)程中，有效的保證了運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性。基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)在不斷完善的過(guò)程中，將會(huì)具備更加廣闊以及深入的應(yīng)用前景。

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