基于ZigBee技術(shù)的角度同步采集傳輸系統設計

0 引言
關(guān)節臂式測量機廣泛用于模具、汽車(chē)零部件、鈑金件、塑料制品、木制品、雕塑等的快速檢測和逆向設計。其工作機理是：手持關(guān)節臂，帶動(dòng)測量機頂端的攝像頭或探針掃描至目標探測點(diǎn)，根據測量機各段臂長(cháng)和各個(gè)關(guān)節所轉過(guò)的角度可求取出目標探測點(diǎn)的位置或坐標。測量機的工作關(guān)鍵在于讀取和及時(shí)傳輸各個(gè)關(guān)節的角度信息。
普通的關(guān)節臂式測量機在每個(gè)關(guān)節內都安裝有一個(gè)角度編碼盤(pán)，角度信號通過(guò)連接在關(guān)節臂內的電纜線(xiàn)傳輸至工控機。由于編碼器使用有線(xiàn)方式傳輸角度信息，臂內電纜多，連續旋轉多圈時(shí)臂內電纜將擰成“麻花”，使得測量機關(guān)節不能無(wú)限旋轉。
本文所設計的“基于ZigBee技術(shù)的角度同步采集傳輸系統”，采用Microchip公司的PIC18LF4620微控制器和Chipcon公司的CC2420射頻芯片共同組成無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，置于關(guān)節臂式測量機的每個(gè)關(guān)節內，實(shí)現角度信號的讀取和無(wú)線(xiàn)傳輸。在工控機側，也安裝有一個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，用于接收這些無(wú)線(xiàn)傳輸的角度信息并上傳給工控機。信號傳輸的無(wú)線(xiàn)化使得測量機的關(guān)節可以無(wú)限制旋轉。下面主要以六關(guān)節臂式測量機為例，介紹該系統的設計方案。
1.系統方案設計
整個(gè)系統實(shí)質(zhì)上為一個(gè)由7個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)組成的星形無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，如圖1所示。安裝在測量機6個(gè)關(guān)節內的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)分別和本關(guān)節內的角度編碼盤(pán)相連，采集編碼盤(pán)信息，并將提取出來(lái)的有效角度信息無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去，構成星形網(wǎng)絡(luò )的6個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)（以下稱(chēng)為子節點(diǎn)）。作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)（以下稱(chēng)為主節點(diǎn)）和工控機相連，采用時(shí)分復用的方式接收6個(gè)子節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)傳輸的角度信息，經(jīng)整理后通過(guò)串口發(fā)送給工控機。


每個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)由控制模塊和射頻模塊組成?？刂颇K主芯片是PIC18LF4620，最高工作頻率為40MHz，內含64kBytes的flash空間和4kBytes的RAM空間，外圍控制部分包括定時(shí)器模塊，捕捉/比較模塊，A/D轉換模塊，SPI接口和EUSART串口等，完成系統的控制和處理功能。射頻模塊用于實(shí)現信息無(wú)線(xiàn)收發(fā)，主芯片為CC2420，符合2.4 GHz IEEE 802.15.4協(xié)議，無(wú)線(xiàn)收發(fā)速率可達250kbps，無(wú)線(xiàn)收發(fā)功率僅為幾十毫瓦。
2.系統硬件結構及連接圖
系統的硬件連接圖如圖2所示，元件主要包括射頻芯片CC2420、微控制器PIC18LF4620和串口電平轉換芯片MAX3221。對外提供的接口為RS232/485串口（圖2中以RS232為例）。每個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)內部，控制模塊（PIC18LF4620）和射頻模塊（CC2420）通過(guò)SPI接口連接，主要包括串行數據輸出引腳（SDO）、 串行數據輸入（SDI）引腳和串行時(shí)鐘（SCK）引腳。對于主節點(diǎn)，微控制器的串口輸出引腳（TX）和串口輸入引腳（RX）經(jīng)由電平轉換芯片MAX3221和工控機相連。對于子節點(diǎn)，微控制器通常通過(guò)RS232/RS485串口和編碼盤(pán)相連，具體接口視編碼盤(pán)型號而定。

3.組網(wǎng)過(guò)程
7個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)組成一個(gè)星形無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，以主節點(diǎn)為協(xié)調器，6個(gè)子節點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。組網(wǎng)的過(guò)程可以描述如下：
（1）將主節點(diǎn)和所有子節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)頻率置于同一信道，確保該信道上無(wú)其它無(wú)線(xiàn)設備。
（2）主節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)發(fā)送組網(wǎng)廣播，告知同信道的所有處于接收狀態(tài)的無(wú)線(xiàn)設備（各子節點(diǎn)）自己為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，并告知該網(wǎng)絡(luò )的PAN ID，以及主節點(diǎn)自己的64位MAC地址。同時(shí)，設定廣播報文的最大重傳次數，并開(kāi)啟廣播超時(shí)定時(shí)器。
（3）各個(gè)子節點(diǎn)在接收到廣播之后回應一個(gè)網(wǎng)絡(luò )連接請求。
（4）當主節點(diǎn)收到子節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )連接請求時(shí)，主節點(diǎn)給該子節點(diǎn)分配16位的網(wǎng)絡(luò )地址。
（5）定時(shí)器超時(shí)，主節點(diǎn)檢查是否收到了所有子節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )連接請求?！笆恰眲t停止組網(wǎng)廣播，組網(wǎng)成功?！胺瘛眲t重傳組網(wǎng)廣播，重傳次數減1。
（6）重復步驟（5），若重傳次數已經(jīng)自減為0，停止組網(wǎng)廣播，組網(wǎng)結束，并告知工控機本次組網(wǎng)失敗。
4.數據傳輸
4.1幀格式定義
在本文所設計的星形無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，共分為物理層、MAC層和應用層3層，各層的幀格式如圖3所示。網(wǎng)間傳輸的信息從幀類(lèi)型上分為3種，分別為數據幀、確認幀和命令幀，組網(wǎng)廣播幀和角度采集廣播歸屬于命令幀。

注：Frame Length為物理層幀長(cháng)度；Frame Control域的低3位指示該信息的幀類(lèi)型；Sequence NO.為序列號；FCS為校驗域。Command Type為命令類(lèi)型，指示收到命令幀之后無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)所需進(jìn)行的操作。
4.2TDMA時(shí)隙分配和傳輸協(xié)議
主節點(diǎn)和各子節點(diǎn)采取時(shí)分復用TDMA的方式進(jìn)行通信，每個(gè)子節點(diǎn)在指定的時(shí)隙內和主節點(diǎn)進(jìn)行信息交互。在本文所設計的星型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，共劃分有8個(gè)時(shí)隙，如圖4所示。

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