基于ZigBee技術(shù)的角度同步采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
關(guān)節(jié)臂式測量機廣泛用于模具、汽車零部件、鈑金件、塑料制品、木制品、雕塑等的快速檢測和逆向設(shè)計。其工作機理是：手持關(guān)節(jié)臂，帶動測量機頂端的攝像頭或探針掃描至目標探測點，根據(jù)測量機各段臂長和各個關(guān)節(jié)所轉(zhuǎn)過的角度可求取出目標探測點的位置或坐標。測量機的工作關(guān)鍵在于讀取和及時傳輸各個關(guān)節(jié)的角度信息。
普通的關(guān)節(jié)臂式測量機在每個關(guān)節(jié)內(nèi)都安裝有一個角度編碼盤，角度信號通過連接在關(guān)節(jié)臂內(nèi)的電纜線傳輸至工控機。由于編碼器使用有線方式傳輸角度信息，臂內(nèi)電纜多，連續(xù)旋轉(zhuǎn)多圈時臂內(nèi)電纜將擰成“麻花”，使得測量機關(guān)節(jié)不能無限旋轉(zhuǎn)。
本文所設(shè)計的“基于ZigBee技術(shù)的角度同步采集傳輸系統(tǒng)”，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線節(jié)點，置于關(guān)節(jié)臂式測量機的每個關(guān)節(jié)內(nèi)，實現(xiàn)角度信號的讀取和無線傳輸。在工控機側(cè)，也安裝有一個無線節(jié)點，用于接收這些無線傳輸?shù)慕嵌刃畔⒉⑸蟼鹘o工控機。信號傳輸?shù)臒o線化使得測量機的關(guān)節(jié)可以無限制旋轉(zhuǎn)。下面主要以六關(guān)節(jié)臂式測量機為例，介紹該系統(tǒng)的設(shè)計方案。
1.系統(tǒng)方案設(shè)計
整個系統(tǒng)實質(zhì)上為一個由7個無線節(jié)點組成的星形無線網(wǎng)絡，如圖1所示。安裝在測量機6個關(guān)節(jié)內(nèi)的無線節(jié)點分別和本關(guān)節(jié)內(nèi)的角度編碼盤相連，采集編碼盤信息，并將提取出來的有效角度信息無線發(fā)送出去，構(gòu)成星形網(wǎng)絡的6個網(wǎng)絡節(jié)點（以下稱為子節(jié)點）。作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的無線節(jié)點（以下稱為主節(jié)點）和工控機相連，采用時分復用的方式接收6個子節(jié)點無線傳輸?shù)慕嵌刃畔?，?jīng)整理后通過串口發(fā)送給工控機。


每個無線節(jié)點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(nèi)含64kBytes的flash空間和4kBytes的RAM空間，外圍控制部分包括定時器模塊，捕捉/比較模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，SPI接口和EUSART串口等，完成系統(tǒng)的控制和處理功能。射頻模塊用于實現(xiàn)信息無線收發(fā)，主芯片為CC2420，符合2.4 GHz IEEE 802.15.4協(xié)議，無線收發(fā)速率可達250kbps，無線收發(fā)功率僅為幾十毫瓦。
2.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及連接圖
系統(tǒng)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(zhuǎn)換芯片MAX3221。對外提供的接口為RS232/485串口（圖2中以RS232為例）。每個無線節(jié)點內(nèi)部，控制模塊（PIC18LF4620）和射頻模塊（CC2420）通過SPI接口連接，主要包括串行數(shù)據(jù)輸出引腳（SDO）、 串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）引腳和串行時鐘（SCK）引腳。對于主節(jié)點，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(zhuǎn)換芯片MAX3221和工控機相連。對于子節(jié)點，微控制器通常通過RS232/RS485串口和編碼盤相連，具體接口視編碼盤型號而定。

3.組網(wǎng)過程
7個無線節(jié)點組成一個星形無線網(wǎng)絡，以主節(jié)點為協(xié)調(diào)器，6個子節(jié)點為網(wǎng)絡節(jié)點。組網(wǎng)的過程可以描述如下：
（1）將主節(jié)點和所有子節(jié)點的無線收發(fā)頻率置于同一信道，確保該信道上無其它無線設(shè)備。
（2）主節(jié)點無線發(fā)送組網(wǎng)廣播，告知同信道的所有處于接收狀態(tài)的無線設(shè)備（各子節(jié)點）自己為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，并告知該網(wǎng)絡的PAN ID，以及主節(jié)點自己的64位MAC地址。同時，設(shè)定廣播報文的最大重傳次數(shù)，并開啟廣播超時定時器。
（3）各個子節(jié)點在接收到廣播之后回應一個網(wǎng)絡連接請求。
（4）當主節(jié)點收到子節(jié)點的網(wǎng)絡連接請求時，主節(jié)點給該子節(jié)點分配16位的網(wǎng)絡地址。
（5）定時器超時，主節(jié)點檢查是否收到了所有子節(jié)點的網(wǎng)絡連接請求?！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(shù)減1。
（6）重復步驟（5），若重傳次數(shù)已經(jīng)自減為0，停止組網(wǎng)廣播，組網(wǎng)結(jié)束，并告知工控機本次組網(wǎng)失敗。
4.數(shù)據(jù)傳輸
4.1幀格式定義
在本文所設(shè)計的星形無線網(wǎng)絡中，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?shù)男畔膸愋蜕戏譃?種，分別為數(shù)據(jù)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為物理層幀長度；Frame Control域的低3位指示該信息的幀類型；Sequence NO.為序列號；FCS為校驗域。Command Type為命令類型，指示收到命令幀之后無線節(jié)點所需進行的操作。
4.2TDMA時隙分配和傳輸協(xié)議
主節(jié)點和各子節(jié)點采取時分復用TDMA的方式進行通信，每個子節(jié)點在指定的時隙內(nèi)和主節(jié)點進行信息交互。在本文所設(shè)計的星型無線網(wǎng)絡中，共劃分有8個時隙，如圖4所示。

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