ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文
前言
随着自动控制系统的发展,其在越来越多的行业中发挥了重要的作用。当前系统中的设备通过电缆来连接,从而形成了很大的限制性,为了拓宽系统控制的范围,在系统中应用了ZigBee无线网络技术,这种技术具备成本低、易维护、自我修复等优点,可以实现远程自动控制。与现有的自动控制系统有线网络相比,基于ZigBee无线网络技术的自动控制系统将会具备更加优越的性能,从而提升运行的稳定性及可靠性。
1自动控制系统的硬件设计
1.1发射模块
传感器在进行信号发送时,发送的为4~20mA的标准电流信号,发射模块接收到信号之后,需要对信号进行转换,变为电磁波无线之后在发射出去,而这就是发射模块的功能。发射模块的硬件具有固定的结构,接收到传感器的信号之后,首先由I/V变换电路对信号进行变换,经过变换之后,标准电流信号由4~20mA变为1~5V,随后,变化之后的信号经过零点迁移电路,成为0~4V电压,再经过A/D转换器以及单片机之后,变成电磁波无线信号,实现与下位机之间的通信。在进行发射模块硬件电路设计时,首先要对使用的元器件进行了解,在自动控制系统中,所使用的微控制器的型号为P89LPC935,该型号为单片封装,处理器结构的性能非常高,在执行命令时,所需的时间比较少,同时,此种型号的微控制器中集合了很多系统级的功能,使用之后可以大量的减少元器件的数量,降低系统成本;射频芯片的型号为CC1100,此种芯片具备可编程的特点,而且与ZigBee协议之间具备较高的一致性,在低功耗无线应用中,适用性非常强;ADS7829是发射模块硬件电路中一个重要的元件,此种型号的元件所具备的采样速率是非常快的;在I/V变换电路中,主要的功能就是信号变换,在选择元件时,采用了无源I/V变换;零点迁移电路为LM358,在LM358内部,设置了两个双运算放大器,这两个部件之间相互独立,在单电源中具备比较高的适用性。在明确电路元器件的型号和功能之后,就需要进行发射模块硬件电路设计。
1.2接收模块
接收模块硬件电路设计的步骤与发射模块是相同的,首先需要明确各个元器件的型号及功能。在接收模块中,包含四个部分:射频芯片、单片机、D/A转换器、V/I转换电路。实际上,接收模块的工作流程就是将发射模块逆过来。D/A转换器选择的型号为TLV5617,此种芯片的接口为SPI接口,输入时的通道为单个,输出时的通道为双通道,芯片的输入端与发射模块单片机的接口需要进行有效地连接;V/I转换器选择的为集成的AD694型号,通过转换器的转换,将接收到的信号还原为4~20mA标准电流信号。这两个部分的元件型号确定之后,就需要根据其功能及相关的要求来进行电路设计。
1.3PCB电磁兼容
在进行PCB设计的过程中,电磁兼容是必须要考虑的,只有电磁兼容性能比较优异,才能保证PCB设计的合理性及科学性,具体说来,应该注意四个方面的问题:①在进行电源线设计时,为了将环路电阻减少,就需要将电源线的宽度增加,同时,在进行电源线的走向设计时,要与数据传递的方向保持一致,这样一来,抗噪声的能力才会比较好;②在进行集成芯片的电源输入设计时,要设置滤波电容,位置为电源输入脚;③为了保证晶振的正常运转,在晶振信号线附近要避免其他信号的穿过;④为了将寄生耦合降低,元件面与焊接面之间不能出现平行。
2自动控制系统的软件设计
2.1需解决的问题
自动控制系统在应用ZigBee无线网络技术进行软件设计时,首先需要解决可靠性以及延时两个方面的问题。对于可靠性,要从硬件设计及软件设计两个方面来保证,通过电路的合理设计以及软件的科学编程,来提升自动控制系统运行的可靠性;对于延时,延时的存在会在很大程度上影响系统的可靠性、稳定性,不过在系统中应用了ZigBee技术之后,延时问题也被有效的解决。这样一来,通过ZigBee无线网络技术在自动控制系统中的应用,有效的解决了可靠性及延时的问题。
2.2发射模块
①进行初始化程序设计。针对微控制器的型号,在进行软件设计时,就需要选择I/O口输出模式,为了保证I/O输出模式的正常使用,I/O口模式要保证正确的配置,通常来说,I/O口配置寄存器决定了其模式。I/O口模式配置完成之后,需要进行SPI寄存器初始化,在SPI寄存器中,包含主模式和从模式两种操作形式,这两种模式所具备的速率是非常快的。初始化完成之后,要将开门狗关闭,并将外部中断开启。②CC1100初始化程序设计。在CC1100中,微控制器为其接口显示,在进行初始化程序设计时,要对寄存器进行正确的配置。③发射模块软件程序设计。无线收发模块的电源来源为电池,为了保证其具备较长的使用寿命,就需要将系统的工作时间尽量的减低,在非工作状态时,系统需要处于睡眠状态,基于此,LPC935在工作时,采用的方式为定时采样中断,采样完成之后,就会进入到睡眠状。
2.3接收模块
在进行了一段时间的控制之后,CC1100将会自动终止接收,这是CC1100具备的一个可选功能,称之为电磁波激活。也就是说,CC1100在工作的过程中,接收等待状况并不是一直持续的,而是接收等待状况以及深度休眠状态各维持一定的时间,这样一来,在对数据信号进行侦测时,就可以不借助MCU的作用。CC1100在进行侦测时,如果侦测到数据信号,就会将信号发送给LPC935,如果此时LPC935处于休眠的状态,CC1100就会向其发送一个外部中断信号,LPC935接收之后进行相应的反应,同时进行数据信号的接收,数据信号接收完毕并检测地址正确之后,就会向发送模块发出已接收的应答信号。这一系列的过程完成之后,会再次进入到休眠状态,直到再有数据信号传来时,才能被激活。
3结论
在自动控制系统中,通过ZigBee无线网络技术的应用,将电缆连接时存在的范围限制解除,从而提升了自动控制系统的控制范围,同时,经过科学的硬件电路以及软件设计之后,自动控制系统的性能得到显著的提升,在运行的过程中,有效的保证了运行的稳定性及可靠性。基于ZigBee无线网络技术的自动控制系统在不断完善的过程中,将会具备更加广阔以及深入的应用前景。
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