基于ZigBee的多路應力測量系統設計

王 朋 亮, 丁 金 華, 雷 曉 靜, 付 青

(大連工業大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

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

1 系統總體設計

整個系統由實驗室中心節點和連接在多個應變片的中繼路由節點兩部分組成,如圖 1 所示,中心節點和各中繼路由節點在 IEEE802.15.4 協議的基礎上共同構成一套結構簡單、穩定和運行可靠的星形網絡。其中各中繼路由節點負責控制應變片、采集測量參數并將采集到的信號分時發送給主節點；主節點負責協調各子節點同步工作,同時將接收到的信號傳輸到PC機上進行處理、顯示。PC機選用具有良好人機交互性能的虛擬儀器開發平臺 LabVIEW ,實現上位機數據的顯示和監控界面設計,在該平臺下,添加 LabVIEW Instrument I/O 函數模板本身提供的 Serial 子 VI,通過數據流連接,可以實現 LabVIEW 界面和無線收發模塊的實時通信。

圖1 系統總體結構圖

2 應變片接口放大電路

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

為了得到簡單的接口電路形式,應變片輸出應為DC 4～20 mA的標準信號形式, 或電壓信號DC 0～10 V/0～5 V。恒流供電和恒壓供電是由應變片組成的橋路的兩種供電形式,系統采用恒流供電形式,由LM258運算放大器完成恒流電路,如圖2所示。TL431接在運算放大器同相端,電阻R2和R3加在運算放大器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轉換器。圖2中W0為零點電平調整電位器,W1為增益調整電位器。

圖2 應變片接口放大電路

3 多路應力測量系統電路原理

此多路應力測量系統除了5路傳應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,串口數據收發指示；55腳,系統運行指示；56腳,網絡指示；58腳,系統告警指示；62腳,低功耗,低電平進入低功耗,高電平或懸空正常運行；59腳,485收發控制；1腳中心節點,低電平有效；63腳,終端節點,低電平有效；64腳,配置接口,低電平有效或加跳線,進入系統配置狀態； 21腳,接用戶系統輸出；20腳,接用戶系統輸入; 11腳,系統復位；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 上位機系統

上位機選用筆記本電腦或臺式機電腦,采用LabVIEW 8.5中文版編程,利用LabVIEW 8.5中文版可以實現友好的人機界面；LabVIEW中實現串口通信可以利用VISA(Virtual Instrument Software Architecture)節點的配置來實現與下位機的通訊。VISA是用于儀器編程的標準I/O函數庫及其相關規范的總稱,一般稱這個I/O函數庫為VISA庫。VISA 庫放在于計算機系統中,是計算機與儀器之間的軟件層連接,用以實現對儀器的操控。VISA 是儀器驅動程序發展的一個工業標準,對于不同接口,可以使用相同的操作與儀器通信。由于LabVIEW中的儀器驅動程序主要用于編寫,在進行串口驅動編程之前需要安裝VISA 驅動程序(visa460full.exe),否則無法實現串口通信。

同時利用VISA節點也可實現下位機數據的上傳, 也可以通過上位機對下位機應力采集通道進行設置；數據的實時顯示、歷史顯示、數據分析與管理。在上、下位機之間通信建立成功后,可實現上位機對下位機實時監測,實時采集的數據下位機要向上位機上傳,間隔1 s。

5 上位機與下位機的通信

5.1 通信接口

計算機與單片機要進行數據通信,在近距離數據通信的場合,常用的是RS232串行通信標準。要完成單片機與PC機的數據通信,必須進行電平轉換[9],原因是二者的電氣規范不一致,RS232串行接口配置于PC機上,TTL電平應用于8051單片機輸入、輸出電平。本設計選用MAX232芯片。在具體應用中,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,達到增強抗干擾能力的效果。單片機與 PC機的通信接口電路如圖 4所示。

圖4 單片機與PC機的通信接口電路

5.2 LabVIEW程序設計

如圖4所示,通過visa configure serial port對串口進行配置,visa write由上位機通過串口向單片機發送指令,visa read讀取從單片機發來的數據。作為虛擬儀器,應該具有友好方便的用戶界面,數據讀取后可以直接顯示。LabVIEW按照一定周期依次向各個節點發送查詢命令,并對反饋的數據作出記錄和判斷。可以利用while循環的循環次數i來選擇要發送的命令。

為了便于將來對數據進行歷史查詢和分析,有必要對采集和分析得出的數據進行打印及保存,所以程序中設計了記錄數據和打印波形的功能。對測試數據以電子表格文件存儲,實現數據繪圖、打印等處理功能。LabVIEW上位機界面如圖5所示。

圖5 上位機界面

6 結 論

研制了一種傳輸途徑基于ZigBee網絡,數據處理平臺基于Labview的多路應力測量數據采集系統,從傳感器的接口電路、單片機與無線射頻芯片MC13214的連接、上下位機的通信、上位機的程序設計都進行了詳細的說明。通過實驗調試,該系統成功應用于我校力學梁彎曲正應力測量實驗,達到了實驗要求,效果良好。

[1] 宋東,王傳清,王彥文,等. 基于CAN總線的時間應力測量裝置[J]. 計算機測量與控制, 2009, 17(5):847-850.

[2]馬秀妮,閆麥奎,李傳偉,等. 基于USB總線和AT89C52單片機的數據采集系統設計[J]. 石油儀器, 2006, 20(5):73-74.

[3] 趙金,張克朗. 基于ARM920T的嵌入式靜力測量系統設計[J]. 電子元器件應用, 2007, 9(5):5-7.

[4] 張瑛瑛,朱雙東,丁鑫. 基于ZigBee的數據采集系統[J]. 寧波大學學報, 2009, 22(3):313-316.

[5] 代媛,楊龍,何東健. ZigBee在作物種植環境監測系統的應用[J]. 微計算機信息, 2009, 25(1/2):23-24.

[6] 馬巧娟,鄭萍,王曉光,等. 基于ZigBee和LabVIEW的多點無線溫濕度采集系統設計[J]. 中國儀器儀表, 2009(4):49-52.

[7] 霍峰,王長松,鞏憲鋒,等. 基于ZigBee和LabVIEW的多功能數據采集系統[J]. 傳感器與微系統, 2008, 27(7):82-85.