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

0 引言
關(guān)節(jié)臂式測量機(jī)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(jì)。其工作機(jī)理是：手持關(guān)節(jié)臂，帶動(dòng)測量機(jī)頂端的攝像頭或探針掃描至目標(biāo)探測點(diǎn)，根據(jù)測量機(jī)各段臂長和各個(gè)關(guān)節(jié)所轉(zhuǎn)過的角度可求取出目標(biāo)探測點(diǎn)的位置或坐標(biāo)。測量機(jī)的工作關(guān)鍵在于讀取和及時(shí)傳輸各個(gè)關(guān)節(jié)的角度信息。
普通的關(guān)節(jié)臂式測量機(jī)在每個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)都安裝有一個(gè)角度編碼盤，角度信號(hào)通過連接在關(guān)節(jié)臂內(nèi)的電纜線傳輸至工控機(jī)。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(shí)臂內(nèi)電纜將擰成“麻花”，使得測量機(jī)關(guān)節(jié)不能無限旋轉(zhuǎn)。
本文所設(shè)計(jì)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(diǎn)，置于關(guān)節(jié)臂式測量機(jī)的每個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)角度信號(hào)的讀取和無線傳輸。在工控機(jī)側(cè)，也安裝有一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，用于接收這些無線傳輸?shù)慕嵌刃畔⒉⑸蟼鹘o工控機(jī)。信號(hào)傳輸?shù)臒o線化使得測量機(jī)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(jī)為例，介紹該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上為一個(gè)由7個(gè)無線節(jié)點(diǎn)組成的星形無線網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。安裝在測量機(jī)6個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)的無線節(jié)點(diǎn)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(luò)的6個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（以下稱為子節(jié)點(diǎn)）。作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的無線節(jié)點(diǎn)（以下稱為主節(jié)點(diǎn)）和工控機(jī)相連，采用時(shí)分復(fù)用的方式接收6個(gè)子節(jié)點(diǎn)無線傳輸?shù)慕嵌刃畔?，?jīng)整理后通過串口發(fā)送給工控機(jī)。


每個(gè)無線節(jié)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(nèi)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(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(shí)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(dá)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(duì)外提供的接口為RS232/485串口（圖2中以RS232為例）。每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)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(shí)鐘（SCK）引腳。對(duì)于主節(jié)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(zhuǎn)換芯片MAX3221和工控機(jī)相連。對(duì)于子節(jié)點(diǎn)，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(hào)而定。

3.組網(wǎng)過程
7個(gè)無線節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)星形無線網(wǎng)絡(luò)，以主節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器，6個(gè)子節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。組網(wǎng)的過程可以描述如下：
（1）將主節(jié)點(diǎn)和所有子節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)）自己為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并告知該網(wǎng)絡(luò)的PAN ID，以及主節(jié)點(diǎn)自己的64位MAC地址。同時(shí)，設(shè)定廣播報(bào)文的最大重傳次數(shù)，并開啟廣播超時(shí)定時(shí)器。
（3）各個(gè)子節(jié)點(diǎn)在接收到廣播之后回應(yīng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求。
（4）當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求時(shí)，主節(jié)點(diǎn)給該子節(jié)點(diǎn)分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址。
（5）定時(shí)器超時(shí)，主節(jié)點(diǎn)檢查是否收到了所有子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)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(fù)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(jī)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(jì)的星形無線網(wǎng)絡(luò)中，共分為物理層、MAC層和應(yīng)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(rèn)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(hào)；FCS為校驗(yàn)域。Command Type為命令類型，指示收到命令幀之后無線節(jié)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(jié)點(diǎn)和各子節(jié)點(diǎn)采取時(shí)分復(fù)用TDMA的方式進(jìn)行通信，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)在指定的時(shí)隙內(nèi)和主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互。在本文所設(shè)計(jì)的星型無線網(wǎng)絡(luò)中，共劃分有8個(gè)時(shí)隙，如圖4所示。

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