ZigBee無線網路技術的自動控制系統研究論文
ZigBee無線網路技術的自動控制系統研究論文
前言
隨著自動控制系統的發展，其在越來越多的行業中發揮了重要的作用。當前系統中的裝置透過電纜來連線，從而形成了很大的限制性，為了拓寬系統控制的範圍，在系統中應用了ZigBee無線網路技術，這種技術具備成本低、易維護、自我修復等優點，可以實現遠端自動控制。與現有的自動控制系統有線網路相比，基於ZigBee無線網路技術的自動控制系統將會具備更加優越的效能，從而提升執行的穩定性及可靠性。
1自動控制系統的硬體設計
1.1發射模組
感測器在進行訊號傳送時，傳送的為4~20mA的標準電流訊號，發射模組接收到訊號之後，需要對訊號進行轉換，變為電磁波無線之後在發射出去，而這就是發射模組的功能。發射模組的硬體具有固定的結構，接收到感測器的訊號之後，首先由I/V變換電路對訊號進行變換，經過變換之後，標準電流訊號由4~20mA變為1~5V，隨後，變化之後的訊號經過零點遷移電路，成為0~4V電壓，再經過A/D轉換器以及微控制器之後，變成電磁波無線訊號，實現與下位機之間的通訊。在進行發射模組硬體電路設計時，首先要對使用的元器件進行了解，在自動控制系統中，所使用的微控制器的型號為P89LPC935，該型號為單片封裝，處理器結構的效能非常高，在執行命令時，所需的時間比較少，同時，此種型號的微控制器中集合了很多系統級的功能，使用之後可以大量的減少元器件的`數量，降低系統成本；射頻晶片的型號為CC1100，此種晶片具備可程式設計的特點，而且與ZigBee協議之間具備較高的一致性，在低功耗無線應用中，適用性非常強；ADS7829是發射模組硬體電路中一個重要的元件，此種型號的元件所具備的取樣速率是非常快的；在I/V變換電路中，主要的功能就是訊號變換，在選擇元件時，採用了無源I/V變換；零點遷移電路為LM358，在LM358內部，設定了兩個雙運算放大器，這兩個部件之間相互獨立，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和功能之後，就需要進行發射模組硬體電路設計。
1.2接收模組
接收模組硬體電路設計的步驟與發射模組是相同的，首先需要明確各個元器件的型號及功能。在接收模組中，包含四個部分：射頻晶片、微控制器、D/A轉換器、V/I轉換電路。實際上，接收模組的工作流程就是將發射模組逆過來。D/A轉換器選擇的型號為TLV5617，此種晶片的介面為SPI介面，輸入時的通道為單個，輸出時的通道為雙通道，晶片的輸入端與發射模組微控制器的介面需要進行有效地連線；V/I轉換器選擇的為整合的AD694型號，透過轉換器的轉換，將接收到的訊號還原為4~20mA標準電流訊號。這兩個部分的元件型號確定之後，就需要根據其功能及相關的要求來進行電路設計。
1.3PCB電磁相容
在進行PCB設計的過程中，電磁相容是必須要考慮的，只有電磁相容效能比較優異，才能保證PCB設計的合理性及科學性，具體說來，應該注意四個方面的問題：①在進行電源線設計時，為了將環路電阻減少，就需要將電源線的寬度增加，同時，在進行電源線的走向設計時，要與資料傳遞的方向保持一致，這樣一來，抗噪聲的能力才會比較好；②在進行整合晶片的電源輸入設計時，要設定濾波電容，位置為電源輸入腳；③為了保證晶振的正常運轉，在晶振訊號線附近要避免其他訊號的穿過；④為了將寄生耦合降低，元件面與焊接面之間不能出現平行。
2自動控制系統的軟體設計
2.1需解決的問題
自動控制系統在應用ZigBee無線網路技術進行軟體設計時，首先需要解決可靠性以及延時兩個方面的問題。對於可靠性，要從硬體設計及軟體設計兩個方面來保證，透過電路的合理設計以及軟體的科學程式設計，來提升自動控制系統執行的可靠性；對於延時，延時的存在會在很大程度上影響系統的可靠性、穩定性，不過在系統中應用了ZigBee技術之後，延時問題也被有效的解決。這樣一來，透過ZigBee無線網路技術在自動控制系統中的應用，有效的解決了可靠性及延時的問題。
2.2發射模組
①進行初始化程式設計。針對微控制器的型號，在進行軟體設計時，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，通常來說，I/O口配置暫存器決定了其模式。I/O口模式配置完成之後，需要進行SPI暫存器初始化，在SPI暫存器中，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。初始化完成之後，要將開門狗關閉，並將外部中斷開啟。②CC1100初始化程式設計。在CC1100中，微控制器為其介面顯示，在進行初始化程式設計時，要對暫存器進行正確的配置。③發射模組軟體程式設計。無線收發模組的電源來源為電池，為了保證其具備較長的使用壽命，就需要將系統的工作時間儘量的減低，在非工作狀態時，系統需要處於睡眠狀態，基於此，LPC935在工作時，採用的方式為定時取樣中斷，取樣完成之後，就會進入到睡眠狀。
2.3接收模組
在進行了一段時間的控制之後，CC1100將會自動終止接收，這是CC1100具備的一個可選功能，稱之為電磁波啟用。也就是說，CC1100在工作的過程中，接收等待狀況並不是一直持續的，而是接收等待狀況以及深度休眠狀態各維持一定的時間，這樣一來，在對資料訊號進行偵測時，就可以不借助MCU的作用。CC1100在進行偵測時，如果偵測到資料訊號，就會將訊號傳送給LPC935，如果此時LPC935處於休眠的狀態，CC1100就會向其傳送一個外部中斷訊號，LPC935接收之後進行相應的反應，同時進行資料訊號的接收，資料訊號接收完畢並檢測地址正確之後，就會向傳送模組發出已接收的應答訊號。這一系列的過程完成之後，會再次進入到休眠狀態，直到再有資料訊號傳來時，才能被啟用。
3結論
在自動控制系統中，透過ZigBee無線網路技術的應用，將電纜連線時存在的範圍限制解除，從而提升了自動控制系統的控制範圍，同時，經過科學的硬體電路以及軟體設計之後，自動控制系統的效能得到顯著的提升，在執行的過程中，有效的保證了執行的穩定性及可靠性。基於ZigBee無線網路技術的自動控制系統在不斷完善的過程中，將會具備更加廣闊以及深入的應用前景。