一種基于CAN總線和ZigBee技術(shù)的測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳海成

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

ZigBee無線技術(shù)在環(huán)境、家庭、軍事及其他一些領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景，其充分考慮了無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，是目前業(yè)界普遍看好的一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。CAN總線技術(shù)，早就因?yàn)槠渫怀龅膬?yōu)點(diǎn)在現(xiàn)場總線領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)被公認(rèn)為是最有前途的幾種現(xiàn)場總線技術(shù)之一。而PC機(jī)技術(shù)發(fā)展到今，其強(qiáng)大功能已不容質(zhì)疑。因此，把CAN、ZigBee和PC技術(shù)結(jié)合在一起開發(fā)出一個(gè)無線傳輸測控系統(tǒng)無疑是一個(gè)非常值得研究的應(yīng)用課題。該系統(tǒng)與ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，當(dāng)監(jiān)控對象成區(qū)域密集分布時(shí)，能明顯降低成本，提高抗干擾能力。

1 ZigBee和CAN技術(shù)

1.1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee是一個(gè)低功耗、短距離、低速率協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議并幾乎完全沿用IEEE 802.15.4的物理層和MAC層而形成ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee器件的最大通信速率為250 Kb/s，通信距離范圍為10 m～75 m，通過增加2.4 G天線功率放大器可以擴(kuò)充其通信距離到數(shù)公里。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持MESH型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有自動配置、自動組網(wǎng)、自愈的功能，且是多跳路由網(wǎng)絡(luò)，其制定之初就是為了滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)的需求[1]。

1.2 CAN 技術(shù)

CAN(Controller Area Net)總線，又稱控制器局域網(wǎng)，屬于現(xiàn)場總線。它是一種有效支持分布式實(shí)時(shí)控制的串信網(wǎng)絡(luò)，具有通信速率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。CAN總線最初被應(yīng)用在汽車技術(shù)中，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制[2]。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。CAN節(jié)點(diǎn)的主要工作是采集控制對象的狀態(tài)信息并發(fā)送到CAN總線上，從CAN總線上接收從PC機(jī)發(fā)送到本節(jié)點(diǎn)的命令并執(zhí)行。CAN協(xié)議轉(zhuǎn)ZigBee協(xié)議模塊一端連接CAN總線，一端連接到ARM無線模塊，實(shí)現(xiàn)ARM無線模塊間的通信，因此需要進(jìn)行CAN協(xié)議與ZigBee協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。ZigBee無線節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的無線通信。USB和串口協(xié)議轉(zhuǎn)ZigBee協(xié)議模塊在PC機(jī)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間提供1個(gè)接口以實(shí)現(xiàn)它兩者間的通信。PC機(jī)對CAN節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，并發(fā)出相應(yīng)的控制命令。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 CAN結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的CAN監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，監(jiān)控的對象是設(shè)備的溫度和輸入電壓。設(shè)備溫度信息采集用高精度TLC2543 A/D轉(zhuǎn)換器完成?？刂撇糠值男酒捎脭?shù)控電位器X9221，可隨時(shí)通過PC機(jī)發(fā)出控制命令來改變電位器X9221滑動端的阻值以控制設(shè)備電壓的大小。

圖2 CAN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)原理圖

SJA1000和82C250的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程必須與應(yīng)用相結(jié)合，在存在較大外部干擾的情況下，必須加入隔離器以實(shí)現(xiàn)總線與各個(gè)節(jié)點(diǎn)的隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。本系統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)中加入了6N137光電隔離器，由單獨(dú)的隔離電源輸出為其提供電源，這樣可很好地起到抗CAN總線干擾的效果。82C250的斜率電阻選取47 kΩ的阻值，經(jīng)測試在 500 Kb/s～1 Mb/s總線速率下可以滿足需求。同時(shí)為節(jié)省電能，CAN總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)和各個(gè)無線傳輸節(jié)點(diǎn)遵循睡眠—喚醒—正常工作—睡眠的工作方式。各個(gè)節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)空閑時(shí)進(jìn)入睡眠模式，有任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)從睡眠中喚醒，以盡可能地節(jié)省電能，延長各個(gè)節(jié)點(diǎn)電池的使用時(shí)間。CAN終端電阻采用分裂式設(shè)計(jì)，總線兩端各接2個(gè)60 Ω電阻，并在這2個(gè)電阻中間通過電容接地；CAN_L和CAN_H與地之間并聯(lián)2個(gè)30 pF電容以濾除來自總線的高頻干擾。

3.2 ZigBee無線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee無線節(jié)點(diǎn)部分硬件采用STR911搭配ZigBee無線芯片CC2480。STR911與CC2480采用串口進(jìn)行通信，速率為115 Kb/s，并且啟用串口硬件流量控制以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在本系統(tǒng)的所有硬件電路設(shè)計(jì)中，該部分是難點(diǎn)也是重點(diǎn)，包括 STR911與CC2480的接口設(shè)計(jì)和OLCD液晶屏接口設(shè)計(jì)。

無線節(jié)點(diǎn)的控制器之所以使用ARM控制而不用單片機(jī)，除了因?yàn)锳RM控制具有單片機(jī)無法比擬的速度外，還因?yàn)锳RM控制具有大容量的RAM空間，可保存運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的無線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)中，在STR911的RAM空間內(nèi)設(shè)置了數(shù)據(jù)緩存區(qū)，若在同一時(shí)間發(fā)送到某個(gè)無線節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量過多，而該無線模塊又不能全部直接轉(zhuǎn)發(fā)出去時(shí)，為了防止數(shù)據(jù)丟失，必須設(shè)置1個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，暫存不能發(fā)出去的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)順序遵循隊(duì)列原則，即先收先轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)系統(tǒng)超過一定時(shí)間處于無數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)時(shí)，ARM無線模塊將進(jìn)入睡眠模式以節(jié)約電能。

3.3 CAN轉(zhuǎn)ZigBee模塊設(shè)計(jì)

該部分在CAN總線與ARM9控制芯片之間搭起一座通信橋梁，作為兩者的通信接口。CAN總線上掛載的各個(gè)結(jié)點(diǎn)通過該接口將數(shù)據(jù)傳到ARM9控制器，ARM9控制器通過控制CC2480將數(shù)據(jù)進(jìn)無線傳輸。接口的通信速率設(shè)定為115 Kb/s，可以與無線模塊匹配。該部分的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3虛線中的部分所示。

圖3 CAN與ARM接口卡

3.4 USB和串口轉(zhuǎn)ZigBee模塊設(shè)計(jì)

該部分主要完成由RS232總線協(xié)議到ZigBee協(xié)議或由USB協(xié)議到ZigBee協(xié)議的轉(zhuǎn)換，在PC機(jī)與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)之間提供1個(gè)通信接口。串口通信速率最高可以達(dá)到 230 Kb/s，USB接口符合全速 USB 2.0規(guī)范，通信速率設(shè)為512 Kb/s[3]。目前，串口是計(jì)算機(jī)中常用的通信方式，其協(xié)議簡單，實(shí)時(shí)性好，適合于低速通信的場合。但是，現(xiàn)在的很多計(jì)算機(jī)上已經(jīng)不再配有串口，所以為了該系統(tǒng)具有更廣的適用性，本系統(tǒng)同時(shí)開發(fā)了HID USB接口，在集成了USB控制器2.0及以上版本和帶有HID驅(qū)動的計(jì)算機(jī)上可以即插即用，數(shù)據(jù)傳輸采用中斷方式同樣具有很好的實(shí)時(shí)性。

4 系統(tǒng)布局

針對設(shè)備不同的分布特點(diǎn)需要調(diào)整系統(tǒng)布局，以最少硬件設(shè)備和最低的成本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，這就是所要遵循的布局原則。首先將設(shè)備所在的范圍劃分為若干區(qū)域，位于同一處相隔近的設(shè)備劃分在同一區(qū)域內(nèi)。劃分好區(qū)域后再分析區(qū)域的分布特點(diǎn)，若相鄰的區(qū)域間距較近，可以共用同1條CAN總線；若相鄰區(qū)域間隔較遠(yuǎn)，那么每一個(gè)區(qū)域可以設(shè)置1條CAN總線。如面圖4所示的設(shè)備分布，是單一區(qū)域設(shè)備集中分布在同一個(gè)區(qū)域后的最佳布局系統(tǒng)。若設(shè)備的分布特點(diǎn)如圖5所示，設(shè)備集中分布于多個(gè)區(qū)域，則圖5中的布局方式便是多區(qū)域設(shè)備集中分布下最佳的系統(tǒng)布局。系統(tǒng)究竟該如何布局，應(yīng)結(jié)合前面提到的最佳布局原則和系統(tǒng)的特性，根據(jù)具體的應(yīng)用需求分析得到。

圖4 單一區(qū)域設(shè)備集中分布下系統(tǒng)布局

5 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制軟件由VC 6.0開發(fā)完成，負(fù)責(zé)向用戶提供一個(gè)人機(jī)接口界面?？刂栖浖闹饕蝿?wù)是實(shí)時(shí)地接收和處理數(shù)據(jù)，發(fā)出控制指令。其要實(shí)現(xiàn)的基本功能有：控制CAN總線的各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集所需的環(huán)境變量數(shù)據(jù)并在前臺顯示；設(shè)置設(shè)備的通電起始運(yùn)行狀態(tài)；對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和連接狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤并在前臺顯示，并根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整各設(shè)備狀態(tài)；

圖5 多區(qū)域設(shè)備集中分布下系統(tǒng)布局

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)具有錯(cuò)誤檢測和重傳的功能，并能最終判定是否正常連接到系統(tǒng)。這是提高系統(tǒng)可靠性的有力保證。每次從PC發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)都要求相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在收到來自PC機(jī)的命令后回復(fù)應(yīng)答信號，PC機(jī)再對收到的應(yīng)答進(jìn)行錯(cuò)誤檢測并判斷其正確性。若應(yīng)答有誤或超時(shí)無應(yīng)答則啟動重傳，最后根據(jù)應(yīng)答情況判斷設(shè)備是否正常連接。

6 與ZigBee無線測控網(wǎng)絡(luò)的比較

6.1 數(shù)據(jù)傳輸速率與延時(shí)

圖6 典型ZigBee無線測控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

一般的ZigBee無線測控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示[4]。

在ZigBee無線測控網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)設(shè)備對應(yīng)需要配置1個(gè)ZigBee測控終端。而在本文設(shè)計(jì)的ZigBee無線傳輸測控網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)設(shè)備對應(yīng)配置1個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)完成對設(shè)備的測控工作。

相對于其他幾種無線傳輸技術(shù)(如UWB、BlueTooth和Wi-Fi)，ZigBee傳輸速率最小，理論上最大只有250 Kb/s[5]，而CAN總線的最高通信速率高達(dá)1 Mb/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ZigBee的250 Kb/s。因此，即便CAN總線上掛載有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，其單個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸能力也與ZigBee無線傳輸能力相當(dāng)。

另外，ZigBee無線傳輸時(shí)延一般在 15 ms～30 ms之間[6]，而CAN總線上優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文在134 μs內(nèi)就可以得到傳輸[2]。當(dāng)CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少時(shí)，實(shí)際上CAN總線上的每1個(gè)節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送報(bào)文時(shí)，其報(bào)文在134 μs內(nèi)就可以得到傳輸。這樣，相對ZigBee無線傳輸而言，CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)延要低得多。

6.2 成本與復(fù)雜度

在成本方面，CAN節(jié)點(diǎn)可以選用AT89S51+SJA1000+6N137+82C250的組合，這些芯片價(jià)格都是在幾元到十幾元之間，再加上電源隔離模塊，成本總共不會超過50元，而單個(gè)ZigBee無線芯片的售價(jià)都在50元以上，再加上天線等其他物品，顯然，單個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的成本明顯低于單個(gè)ZigBee無線節(jié)點(diǎn)。

在復(fù)雜度方面，CAN總線結(jié)構(gòu)簡單也是其廣泛應(yīng)用的原因之一，只需要在單屏蔽層雙絞線各終端上加個(gè)120 Ω的電阻即可構(gòu)成CAN總線，各個(gè)節(jié)點(diǎn)只需一個(gè)T型連接頭便可方便地掛載到CAN總線上。由此可見，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度幾乎只有幾根線的差別。

本文介紹的結(jié)合CAN總線的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸測控系統(tǒng)，集成了CAN、ZigBee和PC技術(shù)各的自優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于要求用無線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但數(shù)據(jù)傳輸速率不高、實(shí)時(shí)性要求相對較高、設(shè)備集中分布或分區(qū)域集中分布的測控場合。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。其相對于ZigBee無線測控網(wǎng)絡(luò)成本低、時(shí)延更小，而且具備無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的測控系統(tǒng)。在一些具體的應(yīng)用中，技術(shù)人員可以結(jié)合自己的要求對系統(tǒng)硬件和軟件做出相應(yīng)的修改。

除了利用ZigBee進(jìn)行無線傳輸和開發(fā)出基于Zig-Bee技術(shù)的無線采集網(wǎng)絡(luò)外，還可以把ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)作為不同總線互連的無線接口網(wǎng)絡(luò)，只需進(jìn)行相關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)出相互通信的上層協(xié)議。

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