基于ZigBee與CAN總線的多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：為實(shí)現(xiàn)多電機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高通信可靠性，設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)和CAN總線技術(shù)的多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以CC2530和MCP2515為核心，設(shè)計了ZigBee核心電路、CAN接口等硬件電路和軟件方案，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和CAN總線實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的監(jiān)控。實(shí)驗表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控并通信穩(wěn)定，監(jiān)控節(jié)擴(kuò)展方便，具有一定的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 多電機(jī)系統(tǒng)；ZigBee；CAN總線；CC2530

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.178

0 引言

多電機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用廣泛，如機(jī)床上的電機(jī)驅(qū)動設(shè)備、打印廠的傳送帶等。這些系統(tǒng)中，電機(jī)變成了可以收發(fā)控制命令，上傳狀態(tài)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)[1-2]。這對于網(wǎng)絡(luò)、傳輸性能提出許多要求。ZigBee無線通訊技術(shù)適用于自動控制領(lǐng)域，將ZigBee模塊嵌入到設(shè)備中使得用較少能量即可在多個節(jié)點(diǎn)之間完成通訊[3]。

針對多電機(jī)控制現(xiàn)場單機(jī)驅(qū)動方式控制分散難以協(xié)調(diào)、布線困難的問題，本文以ZigBee與CAN總線技術(shù)建立通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一套多電機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本文設(shè)計的多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為三層結(jié)構(gòu)，最上層為電機(jī)控制PC上位機(jī)，中間則為數(shù)據(jù)傳輸模塊，下層為電機(jī)控制驅(qū)動部分。

2 監(jiān)控系統(tǒng)ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計

2.1 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

Zigbee匯聚節(jié)點(diǎn)是由ZigBee芯片CC2530模塊、RS232電路和電源組成。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2a所示。匯聚節(jié)點(diǎn)通過232電路收發(fā)PC上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后由ZigBee模塊將此數(shù)據(jù)信息發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊再轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

Zigbee終端節(jié)點(diǎn)是由ZigBee芯片CC2530模塊、巴倫匹配電路、CAN模塊、光耦和電源組成，模塊結(jié)構(gòu)如圖2b所示。通過ZigBee模塊，終端節(jié)點(diǎn)接收無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)進(jìn)入MCU轉(zhuǎn)換幀格式后再經(jīng)由CAN接口發(fā)送到總線網(wǎng)絡(luò)上的電機(jī)控制器。同樣CAN總線接收的消息經(jīng)終端節(jié)點(diǎn)接收經(jīng)MCU轉(zhuǎn)換為ZigBee數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

終端節(jié)點(diǎn)的CAN控制器采用的是Microchip的MCP2515，CAN收發(fā)器采用了NXP的TJA1050。TJA1050可以為總線提供差分的發(fā)射能力，同時為CAN控制器提供差分的接收能力[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分主要為網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)傳輸和CAN信號發(fā)送等。系統(tǒng)上電后，控制軟件程序依次執(zhí)行初始化、加電自檢測、CAN通訊傳輸?shù)攘鞒蹋浖鞒虉D與如圖3所示。

終端節(jié)點(diǎn)程序開始后進(jìn)行協(xié)議棧初始化，設(shè)置寄存器，申請加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，若加入網(wǎng)成功則進(jìn)入休眠狀態(tài)，否則繼續(xù)申請。在休眠狀態(tài)下，終端節(jié)點(diǎn)持續(xù)等待任務(wù)中斷，一旦中斷到來，則進(jìn)入中斷來源判斷流程。若是板外中斷，即PC上位機(jī)或其它終端發(fā)送的命令，則回復(fù)接收標(biāo)志信號，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)發(fā)，然后再次進(jìn)入休眠等待下次的任務(wù)中斷，以保證節(jié)點(diǎn)的低功耗。

ZigBee和CAN通信設(shè)計。本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，上位機(jī)向電機(jī)控制器發(fā)送的參數(shù)有轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、控制方式、電機(jī)工作狀態(tài)。對此需求，設(shè)計相應(yīng)協(xié)議，根據(jù)CAN數(shù)據(jù)格式定義物理量。規(guī)定電機(jī)控制器的CAN ID為0x100+編號，如將發(fā)往一號電機(jī)的CAN ID定為0x101。下表1為CAN功能碼設(shè)定：

4 系統(tǒng)實(shí)驗結(jié)果

系統(tǒng)通過對多個電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，每個電機(jī)包含一個ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。通過PC上位機(jī)分別設(shè)置3種類型的電機(jī)工作狀態(tài)，第一種為正轉(zhuǎn)3000R/min、第二種為正轉(zhuǎn)1500R/min、第三種為反轉(zhuǎn)1000R/min。實(shí)驗結(jié)果顯示，上位機(jī)可以實(shí)時與控制電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，整個監(jiān)控系統(tǒng)工作可靠，數(shù)據(jù)傳輸通信未出現(xiàn)沖突。

5 結(jié)束語

針對多電機(jī)系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)布線長的問題，設(shè)計了基于ZigBee和CAN總線的多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)測試表明，整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對多電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、命令發(fā)送和數(shù)據(jù)顯示。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧永杰.基于CAN總線的電機(jī)監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀器，2013（01）：48-50.

[2]賀安超，劉衛(wèi)國，馬珊.基于CAN總線的多電機(jī)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機(jī)測量與控制，2011，19（07）：1605-1607.

[3]郭頌.基于Zigbee的LED草坪燈群控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱.哈爾濱理工大學(xué)，2011.

[4]羅文俊.基于CAN總線的大型塑料機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].武漢.武漢工程大學(xué)，2012.

作者簡介：范春豐（1990-），碩士研究生，研究方向：電機(jī)與智能電器。