基于ZigBee與CAN總線的多電機監控系統設計

摘 要：為實現多電機系統的遠程監控，提高通信可靠性，設計了一種基于ZigBee技術和CAN總線技術的多電機監控系統。系統以CC2530和MCP2515為核心，設計了ZigBee核心電路、CAN接口等硬件電路和軟件方案，通過ZigBee網絡和CAN總線實現對電機的監控。實驗表明，系統實現監控并通信穩定，監控節擴展方便，具有一定的實用性。

關鍵詞： 多電機系統；ZigBee；CAN總線；CC2530

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.178

0 引言

多電機系統在工業現場中應用廣泛，如機床上的電機驅動設備、打印廠的傳送帶等。這些系統中，電機變成了可以收發控制命令，上傳狀態數據的節點[1-2]。這對于網絡、傳輸性能提出許多要求。ZigBee無線通訊技術適用于自動控制領域，將ZigBee模塊嵌入到設備中使得用較少能量即可在多個節點之間完成通訊[3]。

針對多電機控制現場單機驅動方式控制分散難以協調、布線困難的問題，本文以ZigBee與CAN總線技術建立通信網絡，設計了一套多電機的監控系統。

1 系統總體方案設計

本監控系統總體結構圖如圖1所示。本文設計的多電機監控系統為三層結構，最上層為電機控制PC上位機，中間則為數據傳輸模塊，下層為電機控制驅動部分。

2 監控系統ZigBee節點設計

2.1 匯聚節點硬件設計

Zigbee匯聚節點是由ZigBee芯片CC2530模塊、RS232電路和電源組成。模塊結構圖如圖2a所示。匯聚節點通過232電路收發PC上位機傳輸的數據，將數據轉換后由ZigBee模塊將此數據信息發送到終端節點的ZigBee模塊再轉發到CAN總線，實現數據交換。

2.2 終端節點硬件設計

Zigbee終端節點是由ZigBee芯片CC2530模塊、巴倫匹配電路、CAN模塊、光耦和電源組成，模塊結構如圖2b所示。通過ZigBee模塊，終端節點接收無線節點發送的數據幀，數據進入MCU轉換幀格式后再經由CAN接口發送到總線網絡上的電機控制器。同樣CAN總線接收的消息經終端節點接收經MCU轉換為ZigBee數據幀格式進行轉發。

終端節點的CAN控制器采用的是Microchip的MCP2515，CAN收發器采用了NXP的TJA1050。TJA1050可以為總線提供差分的發射能力，同時為CAN控制器提供差分的接收能力[4]。

3 系統軟件設計

電機監控系統軟件部分主要為網絡管理、數據傳輸和CAN信號發送等。系統上電后，控制軟件程序依次執行初始化、加電自檢測、CAN通訊傳輸等流程，軟件流程圖與如圖3所示。

終端節點程序開始后進行協議棧初始化，設置寄存器，申請加入ZigBee網絡，若加入網成功則進入休眠狀態，否則繼續申請。在休眠狀態下，終端節點持續等待任務中斷，一旦中斷到來，則進入中斷來源判斷流程。若是板外中斷，即PC上位機或其它終端發送的命令，則回復接收標志信號，進行相應的數據處理并轉發，然后再次進入休眠等待下次的任務中斷，以保證節點的低功耗。

ZigBee和CAN通信設計。本監控系統設計中，上位機向電機控制器發送的參數有轉速、轉向、控制方式、電機工作狀態。對此需求，設計相應協議，根據CAN數據格式定義物理量。規定電機控制器的CAN ID為0x100+編號，如將發往一號電機的CAN ID定為0x101。下表1為CAN功能碼設定：

4 系統實驗結果

系統通過對多個電機進行監控，每個電機包含一個ZigBee終端節點。通過PC上位機分別設置3種類型的電機工作狀態，第一種為正轉3000R/min、第二種為正轉1500R/min、第三種為反轉1000R/min。實驗結果顯示，上位機可以實時與控制電機，電機轉速穩定，整個監控系統工作可靠，數據傳輸通信未出現沖突。

5 結束語

針對多電機系統維護復雜，網絡布線長的問題，設計了基于ZigBee和CAN總線的多電機監控系統。經測試表明，整個系統實現了對多電機的轉速控制、命令發送和數據顯示。

參考文獻：

[1]盧永杰.基于CAN總線的電機監測與控制系統設計[J].自動化與儀器，2013（01）：48-50.

[2]賀安超，劉衛國，馬珊.基于CAN總線的多電機嵌入式監控系統設計[J]. 計算機測量與控制，2011，19（07）：1605-1607.

[3]郭頌.基于Zigbee的LED草坪燈群控系統設計與實現[D].哈爾濱.哈爾濱理工大學，2011.

[4]羅文俊.基于CAN總線的大型塑料機械控制系統的設計[D].武漢.武漢工程大學，2012.

作者簡介：范春豐（1990-），碩士研究生，研究方向：電機與智能電器。