基于ZigBee的HHPS-I手持操作站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳 譜，何 方

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039；2.中國科學(xué)院 沈陽計(jì)算技術(shù)研究所 高檔數(shù)控國家工程中心，沈陽 110168；3.沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司，沈陽 110168)

基于ZigBee的HHPS-I手持操作站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳 譜1,2，何 方2,3

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039；2.中國科學(xué)院 沈陽計(jì)算技術(shù)研究所 高檔數(shù)控國家工程中心，沈陽 110168；3.沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司，沈陽 110168)

伴隨著數(shù)控機(jī)床多功能、大體積方向的發(fā)展，對(duì)無線的數(shù)控手持提出了更高的要求。ZigBee作為一種低成本、低功耗、低復(fù)雜度的傳感網(wǎng)絡(luò)，適合應(yīng)用于需長時(shí)間工作、電磁干擾較多的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。在分析ZigBee協(xié)議原理及協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和抽象分層的理論，以TI的LM3s9b96+CC2520和CC2530為核心無線模塊，進(jìn)行了無線系統(tǒng)主從站的軟硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了HHPS-I型智能手持操作站的功能，并提出一種可復(fù)用的軟硬件開發(fā)模式。

ZigBee;無線數(shù)控;智能手持

0 引言

數(shù)控加工在實(shí)現(xiàn)高速、高精、高效的工業(yè)化過程中，對(duì)加工過程的實(shí)時(shí)可控性和可觀性提出了更高的要求。由于數(shù)控設(shè)備體積往往較大，為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大型數(shù)控機(jī)床加工過程的直觀觀察和控制，同時(shí)擺脫冗雜的線纜的干擾，無線智能手持設(shè)備成為必然的選擇。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，往往存在較多的電磁干擾，給無線設(shè)備提出了難題。

目前，應(yīng)用于市場(chǎng)的無線數(shù)控手持設(shè)備多集中在紅外、藍(lán)牙和WIFI等無線技術(shù)上[1]。不過，紅外存在視距限制、藍(lán)牙傳輸距離過短、WIFI協(xié)議復(fù)雜、功耗過高，最主要的問題是他們都不能像ZigBee節(jié)點(diǎn)那樣電池供電可工作半年以上時(shí)間[2]。ZigBee是一種低成本、低功耗、高可靠性的低速率傳感網(wǎng)絡(luò)，有著超強(qiáng)的組網(wǎng)能力。它的特點(diǎn)使其非常適合工業(yè)環(huán)境。但是目前，應(yīng)用于數(shù)控現(xiàn)場(chǎng)的ZigBee應(yīng)用大多集中在傳感網(wǎng)絡(luò)，比如，數(shù)控機(jī)床溫度無線監(jiān)測(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)[3]。因此，如何在體現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)能達(dá)到數(shù)控現(xiàn)場(chǎng)要求的控制和示教目的的無線系統(tǒng)成為亟需解決的問題。

本文通過對(duì)ZigBee協(xié)議的理解和ZigBee協(xié)議棧的深入研究，找到一種適合數(shù)控現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。按照軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的原則分別從硬件層面和軟件層面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。按照分層和抽象的原則提出一種保持原有程序不變的可復(fù)用無線實(shí)現(xiàn)方法。

本文以沈陽高精數(shù)控有限公司的數(shù)控系統(tǒng)和HHPS-I型智能手持操作站為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。HHPS-I包含16個(gè)功能按鍵和LCD顯示屏，由單片機(jī)控制，通過讀取串口命令響應(yīng)程序，但其軟件層尚未定義，為了完成無線通信，必須在硬件上添加ZigBee無線模塊，并實(shí)現(xiàn)其整體軟件功能。無線的實(shí)現(xiàn)采用TI公司的LM3S9B9開發(fā)板和DK-CC2520Z開發(fā)套件。最終實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee的無線數(shù)控智能手持的應(yīng)用。

1 ZigBee技術(shù)分析

1.1 ZigBee體系結(jié)構(gòu)分析

ZigBee設(shè)備按功能可分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，其中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心。常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為星形網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，其中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)又包括樹形網(wǎng)絡(luò)、Mesh網(wǎng)絡(luò)等。

ZigBee協(xié)議由兩部分組成(圖1)，一是由IEEE 802.15.4定義的物理(PHY)層和MAC層，一是由ZigBee聯(lián)盟定義的網(wǎng)絡(luò)(NWK)層和應(yīng)用(APL)層。其中APL又包括應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)層和應(yīng)用框架(AF)層，是應(yīng)用開發(fā)研究的重點(diǎn)。AF是為駐扎在ZigBee設(shè)備中的應(yīng)用對(duì)象提供活動(dòng)的環(huán)境，它最多包含240個(gè)應(yīng)用對(duì)象，每個(gè)應(yīng)用對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)端點(diǎn)(Endpoint)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)或一組應(yīng)用。ZDO是一個(gè)特殊的應(yīng)用層的端點(diǎn)，它是應(yīng)用層其他端點(diǎn)與應(yīng)用子層管理實(shí)體交互的中間件，主要功能集中在網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)上。APS層類似于MAC層和NWK層為上層服務(wù)使用者和下層服務(wù)提供者交互提供接口。各層之間通過原語(primitive)交互，盡管各層間原語不盡相同，但其基本形式(圖2)均是基于以下四類原語：.request、.confirm、.response、.indication。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

圖2 服務(wù)原語概念

1.2 ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)

自ZigBee聯(lián)盟成立以來，協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)經(jīng)歷了ZigBee2004、ZigBee2006 、ZigBee2007和 ZigBee2012，其中ZigBee2007應(yīng)用最為廣泛。各大制造商發(fā)行的協(xié)議棧和大部分開源協(xié)議棧都兼容上述標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議棧的目的在于規(guī)范并簡(jiǎn)化開發(fā)流程，以增強(qiáng)ZigBee應(yīng)用的通用性。雖然ZigBee協(xié)議棧版本各異，但其核心無非是完成1.1節(jié)分析各層的功能。本文協(xié)議棧中HAL目錄實(shí)現(xiàn)硬件相關(guān)配置、驅(qū)動(dòng)和操作函數(shù)，ZMAC和MAC目錄實(shí)現(xiàn)MAC層參數(shù)配置和LIB庫函數(shù)等MAC層功能，NWK目錄實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)配置、路由等功能，APP目錄實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層內(nèi)容并為用戶提供創(chuàng)建各種不同工程的環(huán)境，ZDO目錄實(shí)現(xiàn)應(yīng)用對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)，Profile目錄實(shí)現(xiàn)AF的功能。

為了統(tǒng)籌管理上述資源，增加系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能。我們引入操作系統(tǒng)抽象層(OSAL)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的概念。OSAL是整個(gè)協(xié)議棧的中心，它把協(xié)議棧的每一個(gè)子系統(tǒng)都作為OSAL的一個(gè)任務(wù)，在開發(fā)應(yīng)用層的時(shí)候，也通過創(chuàng)建OSAL任務(wù)來運(yùn)行。因此，主要工作集中在OSAL的一個(gè)無限循環(huán)中來處理任務(wù)隊(duì)列出現(xiàn)的任務(wù)。RTOS則負(fù)責(zé)按需的調(diào)度任務(wù)。整個(gè)Z-stack的主要工作流程(圖3)，可分為系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段。

圖3 ZigBee Zstack流程

2 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的中心控制節(jié)點(diǎn)往往要控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)，分析并處理網(wǎng)絡(luò)中通信的大量數(shù)據(jù)，因此，在要求實(shí)時(shí)性和高效性的數(shù)控現(xiàn)場(chǎng)，選擇TI公司基于ARM Cortex-M3核的高性能微控制器LM3S9B96搭配cc2520射頻模塊作為協(xié)調(diào)器。LM3S9B96擴(kuò)展了豐富的外設(shè)，包括網(wǎng)口、USB等接口[4]，集成一塊QVGA彩色觸摸屏顯示器，增加了程序的可視化和操作的便捷性。終端節(jié)點(diǎn)采用CC2530搭配和SmartRF05BB電池板。由于數(shù)控現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床節(jié)點(diǎn)較少，為了方便主從站節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的直接交互，采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多控制，如圖4所示。

系統(tǒng)主站為智能手持端，采用沈陽高精數(shù)控有限公司的HHPS-I，實(shí)現(xiàn)對(duì)從站的控制和各種操作信息、狀態(tài)信息的顯示。系統(tǒng)從站為藍(lán)天數(shù)控GJ301四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)。可工作在手動(dòng)、增量、手輪三種模式下，完成X軸、Y軸、Z軸和第4軸的協(xié)調(diào)工作，手動(dòng)模式下的快移和倍率選擇等功能。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)以低功耗、低成本、低復(fù)雜度為設(shè)計(jì)目標(biāo)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)往往以單片機(jī)為核心處理較低復(fù)雜度的問題。降低成本最有效的方式莫過于設(shè)備復(fù)用或程序復(fù)用了。現(xiàn)實(shí)環(huán)境中無線系統(tǒng)的應(yīng)用大都有其有線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)應(yīng)用單元不變的基礎(chǔ)上本文提出了實(shí)現(xiàn)復(fù)用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的雙核心處理單元的概念(圖5)。單個(gè)處理單元既要處理協(xié)議棧又要處理應(yīng)用程序，使得程序過于繁瑣，難以駕馭。雙核結(jié)構(gòu)很好的解決了這個(gè)問題，各個(gè)處理單元各盡其職，增加了系統(tǒng)的處理能力和靈活性，在系統(tǒng)檢修和改造時(shí)更加方便。

主站和從站均和電池板連接組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)。主從站皆可通過RS422串口的方式與其他設(shè)備直接交互，電池板可以通過SPI(P4_12、P4_18)和UART(P4_15、P4_13)兩種方式和串口相連。首先通過連接MAX3232轉(zhuǎn)換為RS232信號(hào)，再連接ADM485轉(zhuǎn)換為RS422信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)兩者通信。

圖5 雙核心處理單元概念圖

4 軟件設(shè)計(jì)

TI公司ZigBee應(yīng)用的開發(fā)是緊密結(jié)合IAR開發(fā)環(huán)境的，然而主從站雙方均不在IAR環(huán)境下開發(fā)，這就為程序的交互性帶來了困難。根據(jù)上述硬件設(shè)計(jì)，主從站均是通過串口與ZigBee無線模塊相連的，因此設(shè)計(jì)主從站程序完全通過讀取和分析串口數(shù)據(jù)來完成功能，而ZigBee無線功能模塊通過組幀實(shí)現(xiàn)串口到空中傳輸?shù)酱诘墓艿溃帘瘟酥鲝恼竟δ芙换ゼ?xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了可復(fù)用的分層軟件架構(gòu)。

4.1 網(wǎng)絡(luò)的建立

網(wǎng)絡(luò)的建立具有一定得自主性。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，首先，根據(jù)DEFALUT_CHANLIST的設(shè)置選擇一個(gè)頻段，對(duì)于2.4GH的網(wǎng)絡(luò)來講可選的頻段號(hào)為11～26，每個(gè)頻段號(hào)所代表的具體中心頻段為：2405 + 5(頻段號(hào) - 11)。然后，根據(jù)ZDAPP_CONFIG_PAN_ID的設(shè)置選擇Pan ID。最后，設(shè)置節(jié)點(diǎn)允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)通過MAC關(guān)聯(lián)的方式以協(xié)調(diào)器為父節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過定義NV_RESTORE和NV_INIT對(duì)非易失存儲(chǔ)器進(jìn)行管理，確保當(dāng)意外重啟(掉電)等突然情況發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)恢復(fù)到之前的工作狀況。

4.2 設(shè)備綁定和發(fā)現(xiàn)

綁定機(jī)制允許一個(gè)應(yīng)用在不知道目標(biāo)地址的情況下向?qū)Ψ?應(yīng)用)發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)送時(shí)使用的目標(biāo)地址將由應(yīng)用支持子層從綁定表中自動(dòng)獲得，從而能使消息順利被目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用乃至分組接收。

協(xié)調(diào)器首先在ZDO層注冊(cè)EndDeviceBindReq信息。然后，設(shè)置主站和從站終端節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單描述符結(jié)構(gòu)，使之成為互補(bǔ)設(shè)備，使用ZDO API ZDP_EndDeviceBindReq()給協(xié)調(diào)器發(fā)送請(qǐng)求，請(qǐng)求建立綁定表。協(xié)調(diào)器接收到該請(qǐng)求信息，調(diào)用ZDO_MatchEndDeviceBind()處理終端設(shè)備綁定請(qǐng)求。由于該機(jī)制規(guī)定在指定的時(shí)限APS_DEFAULT_MAXBINDING_TIME內(nèi)完成，因此，為了提供主從站綁定的靈活性，增加了按鍵觸發(fā)機(jī)制，并通過_HandleKeys()響應(yīng)按鍵事件。

4.3 管道的設(shè)計(jì)

設(shè)備綁定為數(shù)據(jù)傳輸提供了無線通路，因此，系統(tǒng)的重點(diǎn)變成了串口數(shù)據(jù)如何被節(jié)點(diǎn)接收并且發(fā)送出去。這個(gè)任務(wù)由交給應(yīng)用層程序處理。

串口數(shù)據(jù)是由協(xié)議棧的HAL層負(fù)責(zé)處理的，HAL提供的兩個(gè)API，HalUARTRead和HalUARTWrite可以對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行直接讀寫。在OSAL操作系統(tǒng)的主循環(huán)osal_run_system中首先進(jìn)行的兩個(gè)任務(wù)是時(shí)間更新(osalTimeUpdate)和HAL處理輪詢(Hal_ProcessPoll)，在Hal_ProcessPoll中調(diào)用HalUARTPollDMA對(duì)串口的內(nèi)容進(jìn)行查詢，如果DMA中接收到了數(shù)據(jù)，則調(diào)用HalUARTRead，將DMA數(shù)據(jù)讀至buffer并通過AF_DataRequest函數(shù)發(fā)送出去。

節(jié)點(diǎn)從空中捕獲到信號(hào)后，在應(yīng)用層上首先收到信息的是SerialApp_ProcessEvent函數(shù)，它收到一個(gè)AF_INCOMING_MSG_CMD的事件，并通知SerialApp_ProcessMSGCmd，執(zhí)行以下代碼：

Switch(pkt->clusterID)

{

case SERIALAPP_CLUSTERIDxx：

……

If(HaUARTlWrite(SERIALL_APP_PORT,pkt->cmd.Data+1，(pkt->cmd.DataLength-1)))

{

…… //Save for next incoming message

}

}……

將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給串口終端。

4.4 主從站程序設(shè)計(jì)

主站由51單片機(jī)控制并配有可顯示2×18字符的LCD顯示屏，通過串口接收數(shù)據(jù)分析命令和發(fā)送確認(rèn)信息，從站數(shù)控端是基于2.4內(nèi)核的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，從站應(yīng)用程序在linux下用c語言開發(fā)。

主站上電進(jìn)行LED燈檢測(cè)，等待從站初始化命令，接到初始化命令后設(shè)置初值顯示軸信息、實(shí)時(shí)位置、操作模式和倍率，并開始接受實(shí)時(shí)位置信息，同時(shí)按鍵按下通過串口發(fā)送相應(yīng)的make code，按鍵抬起發(fā)送相應(yīng)的break code，并接受功能按鍵的確認(rèn)信息做相關(guān)顯示。

從站程序任務(wù)開始發(fā)送主站初始化命令，進(jìn)入循環(huán)接收串口數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，發(fā)送相依確認(rèn)信息，并定時(shí)向串口發(fā)送實(shí)時(shí)軸位置信息，數(shù)據(jù)以幀格式發(fā)送，幀頭幀尾各一個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)代表十進(jìn)制的兩位，BCD碼格式編碼，如圖6所示。

圖6 主從站程序流程圖

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過上面的協(xié)同設(shè)計(jì)，最后得到的基于ZigBee的無線系統(tǒng)如下圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖

圖7中，前方為LM3S9B96ZigBee+CC2520，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，右上方為HHPS-I+CC2530+BB，是系統(tǒng)主站，左上方為CC2530+BB+GJ301，是系統(tǒng)從站。系統(tǒng)能較好的滿足在數(shù)控領(lǐng)域的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境80米距離測(cè)試協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的連接情況，信號(hào)穩(wěn)定，重新接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)間在1s以內(nèi)。HHPS-ILCD每秒顯示10次實(shí)時(shí)位置信息，通過壓力測(cè)試增加2倍、5倍依然能很好的顯示。通過發(fā)送方與接受方數(shù)據(jù)幀對(duì)比的實(shí)際測(cè)試方法，均證明系統(tǒng)內(nèi)滿足數(shù)控領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

6 結(jié)束語

通過對(duì)ZigBee協(xié)議的分析實(shí)現(xiàn)了對(duì)TI Z-Stack的精簡(jiǎn)和改造，找到了一種適合數(shù)控現(xiàn)場(chǎng)的組網(wǎng)方案，并提出了切實(shí)有效的可復(fù)用硬件實(shí)施策略。明確數(shù)控智能手持的功能后，按照分層和抽象的原則都系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊和無線模塊兩個(gè)層次上的軟件開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)了主站對(duì)從站的一對(duì)多控制。實(shí)踐證明系統(tǒng)能較好的滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，并能節(jié)省一大部分?jǐn)?shù)控設(shè)備的成本。當(dāng)然系統(tǒng)在協(xié)調(diào)器模塊可視化操作等方面還有待加強(qiáng)，另外系統(tǒng)完全有能力實(shí)現(xiàn)多對(duì)多的控制，引入不同功能的主站與從站綁定，這將是今后研究的重點(diǎn)。

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(編輯 趙蓉)

Design and Implementation of HHPS-I Handheld Operator Station Based on ZigBee

CHEN Pu1,2,HE Fang2,3

(1. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China;2. National Engineering Research Center for High-end CNC, Shenyang Institute of Computing Technology, CAS, Shenyang 110171, China)

The developments of multi-function and large volume in sphere of CNC machines require the CNC handheld devices become wireless. ZigBee, a low cost, low power, low complexity sensor network, which is suitable for wireless application development in industrial site which existence electromagnetic interference and need to work long hours. On the basis of analysis of the principles and implementation of ZigBee protocol. Using the theory of software and hardware co-design, develop the software of master and slave system with TI's LM3s9b96 + CC2520 and CC2530 as the core wireless module, realized HHPS-I smart handheld operator station’s features ,and propose a reusable hardware and software development model.

ZigBee; wireless CNC; smart handheld

1001-2265(2014)04-0064-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.017

2013-08-16;

2013-09-08

"高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備"科技重大專項(xiàng) ：基于二次開發(fā)平臺(tái)的專用數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用(2013ZX04007-011)

陳譜(1988—)，男，山東泰安人，中國科學(xué)院大學(xué)沈陽計(jì)算技術(shù)研究所碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)與嵌入式，(E-mail)chenpu0211@126.com;通訊作者：何方(1971—)，男，沈陽人，中國科學(xué)院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所，沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司研究員，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，(E-mail)hefang@sict.ac.cn。

TH16;TG65

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