基于ZigBee的多路應(yīng)力測量系統(tǒng)設(shè)計

王 朋 亮, 丁 金 華, 雷 曉 靜, 付 青

(大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

ZigBee技術(shù)是短距離無線通信技術(shù)的一種,具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活、組網(wǎng)方便等特點(diǎn)。雖然ZigBee技術(shù)的應(yīng)用很廣,但用于實(shí)驗教學(xué)儀器對應(yīng)力進(jìn)行測量的研究并不多見。對于應(yīng)力的測量,很多科研技術(shù)人員對其進(jìn)行了研究和探討,宋東等[1]應(yīng)用單片機(jī)和CAN總線的方式；馬秀妮等[2]應(yīng)用單片機(jī)和USB總線的方式,趙金等[3]應(yīng)用ARM的嵌入式的應(yīng)力測量,都是通過有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。為了改造梁彎曲正應(yīng)力測定實(shí)驗設(shè)備,提高設(shè)備的精度、靈敏度,解決實(shí)驗不直觀、實(shí)驗室布線困難等問題,針對實(shí)際情況綜合考慮,選擇ZigBee技術(shù)作為整個應(yīng)力測量系統(tǒng)的通信方式[4-7],提出了一種基于ZigBee與LabVIEW的多路應(yīng)力測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠在最少搬動實(shí)驗設(shè)備、不增加成本的情況下,滿足現(xiàn)代力學(xué)梁彎曲正應(yīng)力測定的實(shí)驗要求,提高實(shí)驗的教學(xué)效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)由實(shí)驗室中心節(jié)點(diǎn)和連接在多個應(yīng)變片的中繼路由節(jié)點(diǎn)兩部分組成,如圖 1 所示,中心節(jié)點(diǎn)和各中繼路由節(jié)點(diǎn)在 IEEE802.15.4 協(xié)議的基礎(chǔ)上共同構(gòu)成一套結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定和運(yùn)行可靠的星形網(wǎng)絡(luò)。其中各中繼路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制應(yīng)變片、采集測量參數(shù)并將采集到的信號分時發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)；主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各子節(jié)點(diǎn)同步工作,同時將接收到的信號傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行處理、顯示。PC機(jī)選用具有良好人機(jī)交互性能的虛擬儀器開發(fā)平臺 LabVIEW ,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)的顯示和監(jiān)控界面設(shè)計,在該平臺下,添加 LabVIEW Instrument I/O 函數(shù)模板本身提供的 Serial 子 VI,通過數(shù)據(jù)流連接,可以實(shí)現(xiàn) LabVIEW 界面和無線收發(fā)模塊的實(shí)時通信。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 應(yīng)變片接口放大電路

該系統(tǒng)應(yīng)變片信號的順利輸入,系統(tǒng)需要添加A/D轉(zhuǎn)換器。微處理器選用了C8051F350單片機(jī)芯片,目的是為了簡化設(shè)計,降低投入,因為該芯片具有A/D轉(zhuǎn)換器,不用添加片外A/D轉(zhuǎn)換器。C8051F350單片機(jī)具有抽取濾波器、在片校準(zhǔn)、8種增益設(shè)置和內(nèi)部電壓基準(zhǔn)等多項功能。之所以這樣是因為該芯片內(nèi)部含有一個全差分24位Sigma-Delta A/D。

為了得到簡單的接口電路形式,應(yīng)變片輸出應(yīng)為DC 4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號形式, 或電壓信號DC 0～10 V/0～5 V。恒流供電和恒壓供電是由應(yīng)變片組成的橋路的兩種供電形式,系統(tǒng)采用恒流供電形式,由LM258運(yùn)算放大器完成恒流電路,如圖2所示。TL431接在運(yùn)算放大器同相端,電阻R2和R3加在運(yùn)算放大器U0反相端上,因此,電阻R2和R3上的電壓也為2.5 V, 這樣,形成恒流供電,因為流過電阻R2和R3上的電流,不因負(fù)載變化而變化。儀表放大器AD623放大了輸出的電壓信號后,傳送至微處理器的A/D轉(zhuǎn)換器。圖2中W0為零點(diǎn)電平調(diào)整電位器,W1為增益調(diào)整電位器。

圖2 應(yīng)變片接口放大電路

3 多路應(yīng)力測量系統(tǒng)電路原理

此多路應(yīng)力測量系統(tǒng)除了5路傳應(yīng)變片信號輸入電路外,還有12個I/O口與無線射頻芯片MC13214 連接。MC13214 共有71個引腳,有18個引腳與外部連接,其中有12個引腳與CPU相連,如圖3所示,57腳,串口數(shù)據(jù)收發(fā)指示；55腳,系統(tǒng)運(yùn)行指示；56腳,網(wǎng)絡(luò)指示；58腳,系統(tǒng)告警指示；62腳,低功耗,低電平進(jìn)入低功耗,高電平或懸空正常運(yùn)行；59腳,485收發(fā)控制；1腳中心節(jié)點(diǎn),低電平有效；63腳,終端節(jié)點(diǎn),低電平有效；64腳,配置接口,低電平有效或加跳線,進(jìn)入系統(tǒng)配置狀態(tài)； 21腳,接用戶系統(tǒng)輸出；20腳,接用戶系統(tǒng)輸入; 11腳,系統(tǒng)復(fù)位；40腳,接電源地,45腳,接電源+5 V輸入。

圖3 CPU與MC13214的連接部分簡易框圖

4 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)選用筆記本電腦或臺式機(jī)電腦,采用LabVIEW 8.5中文版編程,利用LabVIEW 8.5中文版可以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面；LabVIEW中實(shí)現(xiàn)串口通信可以利用VISA(Virtual Instrument Software Architecture)節(jié)點(diǎn)的配置來實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通訊。VISA是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱,一般稱這個I/O函數(shù)庫為VISA庫。VISA 庫放在于計算機(jī)系統(tǒng)中,是計算機(jī)與儀器之間的軟件層連接,用以實(shí)現(xiàn)對儀器的操控。VISA 是儀器驅(qū)動程序發(fā)展的一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對于不同接口,可以使用相同的操作與儀器通信。由于LabVIEW中的儀器驅(qū)動程序主要用于編寫,在進(jìn)行串口驅(qū)動編程之前需要安裝VISA 驅(qū)動程序(visa460full.exe),否則無法實(shí)現(xiàn)串口通信。

同時利用VISA節(jié)點(diǎn)也可實(shí)現(xiàn)下位機(jī)數(shù)據(jù)的上傳, 也可以通過上位機(jī)對下位機(jī)應(yīng)力采集通道進(jìn)行設(shè)置；數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、歷史顯示、數(shù)據(jù)分析與管理。在上、下位機(jī)之間通信建立成功后,可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)實(shí)時監(jiān)測,實(shí)時采集的數(shù)據(jù)下位機(jī)要向上位機(jī)上傳,間隔1 s。

5 上位機(jī)與下位機(jī)的通信

5.1 通信接口

計算機(jī)與單片機(jī)要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,在近距離數(shù)據(jù)通信的場合,常用的是RS232串行通信標(biāo)準(zhǔn)。要完成單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信,必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換[9],原因是二者的電氣規(guī)范不一致,RS232串行接口配置于PC機(jī)上,TTL電平應(yīng)用于8051單片機(jī)輸入、輸出電平。本設(shè)計選用MAX232芯片。在具體應(yīng)用中,電容C1、C2采用105電容,C3采用0.1 μF,C4采用0.1 μF的去耦電容,用來消除電源噪聲對器件的影響,C5采用0.1 μF電容, 必須盡量靠近器件連接,達(dá)到增強(qiáng)抗干擾能力的效果。單片機(jī)與 PC機(jī)的通信接口電路如圖 4所示。

圖4 單片機(jī)與PC機(jī)的通信接口電路

5.2 LabVIEW程序設(shè)計

如圖4所示,通過visa configure serial port對串口進(jìn)行配置,visa write由上位機(jī)通過串口向單片機(jī)發(fā)送指令,visa read讀取從單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)。作為虛擬儀器,應(yīng)該具有友好方便的用戶界面,數(shù)據(jù)讀取后可以直接顯示。LabVIEW按照一定周期依次向各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令,并對反饋的數(shù)據(jù)作出記錄和判斷?？梢岳脀hile循環(huán)的循環(huán)次數(shù)i來選擇要發(fā)送的命令。

為了便于將來對數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史查詢和分析,有必要對采集和分析得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行打印及保存,所以程序中設(shè)計了記錄數(shù)據(jù)和打印波形的功能。對測試數(shù)據(jù)以電子表格文件存儲,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)繪圖、打印等處理功能。LabVIEW上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面

6 結(jié) 論

研制了一種傳輸途徑基于ZigBee網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)處理平臺基于Labview的多路應(yīng)力測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),從傳感器的接口電路、單片機(jī)與無線射頻芯片MC13214的連接、上下位機(jī)的通信、上位機(jī)的程序設(shè)計都進(jìn)行了詳細(xì)的說明。通過實(shí)驗調(diào)試,該系統(tǒng)成功應(yīng)用于我校力學(xué)梁彎曲正應(yīng)力測量實(shí)驗,達(dá)到了實(shí)驗要求,效果良好。

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