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

3. 組網(wǎng)過程
7個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)星形無(wú)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(wú)線收發(fā)頻率置于同一信道，確保該信道上無(wú)其它無(wú)線設(shè)備。
（2） 主節(jié)點(diǎn)無(wú)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(wú)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。“是”則停止組網(wǎng)廣播，組網(wǎng)成功。“否”則重傳組網(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(wú)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。
 
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注：Frame Length為物理層幀長(zhǎng)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(wú)線節(jié)點(diǎn)所需進(jìn)行的操作。
4.2 TDMA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(wú)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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前6個(gè)時(shí)隙內(nèi)，主節(jié)點(diǎn)依次對(duì)各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢，獲取角度信息并對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。后2個(gè)時(shí)隙用于重傳，當(dāng)1個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)的信息丟失或校驗(yàn)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，采取“先丟失/出錯(cuò)，先重傳”的方式進(jìn)行重傳。
每個(gè)時(shí)隙內(nèi)，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送“開始傳輸角度信息”的命令幀至指定子節(jié)點(diǎn)，并啟動(dòng)時(shí)隙超時(shí)定時(shí)器。子節(jié)點(diǎn)在接收到該命令幀后，立刻將從編碼盤信息中提取出的有效角度信息封裝成幀，經(jīng)由射頻模塊發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。當(dāng)定時(shí)器超時(shí)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)若還未收到該子節(jié)點(diǎn)的角度信息幀，或收到角度信息幀但校驗(yàn)錯(cuò)誤，則記錄該子節(jié)點(diǎn)的編號(hào)(以便在重傳時(shí)隙內(nèi)令其重發(fā))，并轉(zhuǎn)入輪詢下一子節(jié)點(diǎn)。若接收到正確報(bào)文，則直接轉(zhuǎn)入下一子節(jié)點(diǎn)的輪詢。
4.3 子節(jié)點(diǎn)采集時(shí)刻同步
組網(wǎng)完成之后，主節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)送角度采集廣播給各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，指示其以一定頻率采集編碼盤信息，提取并發(fā)送有效的角度信息。由于主節(jié)點(diǎn)以無(wú)線方式發(fā)送角度采集廣播，該廣播到達(dá)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的時(shí)間可能并不一致。若子節(jié)點(diǎn)在收到該廣播后立刻開始讀取編碼盤信息，子節(jié)點(diǎn)所讀到并提取的關(guān)節(jié)角度并不是同一時(shí)刻點(diǎn)的，導(dǎo)致測(cè)量機(jī)無(wú)法準(zhǔn)確工作，所以需要有“子節(jié)點(diǎn)采集時(shí)刻同步”的環(huán)節(jié)。
我們采取的做法是：在組網(wǎng)完成之后，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送角度采集廣播之前， 6個(gè)子節(jié)點(diǎn)逐一與主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，子節(jié)點(diǎn)求取出信息幀的空中傳輸時(shí)間ti（i為子節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，i=1,2…6；）。當(dāng)所有子節(jié)點(diǎn)接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的角度采集廣播后，分別延遲（T – ti）時(shí)間再采集編碼盤信息，其中T為常數(shù)，T>max[t1, t2, …t6]。那么，從主節(jié)點(diǎn)發(fā)送角度采集廣播的那一時(shí)刻開始，各子節(jié)點(diǎn)都經(jīng)過了[ti +（T – ti）] = T時(shí)間后讀取編碼盤信息，實(shí)現(xiàn)了子節(jié)點(diǎn)采集時(shí)刻同步。
求取信息幀空中傳輸時(shí)間ti的具體過程如圖5所示。子節(jié)點(diǎn)i在Ti1時(shí)刻發(fā)送一個(gè)“請(qǐng)求時(shí)間校正幀”給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)在Ti2時(shí)刻收到該幀，并于Ti3時(shí)刻回復(fù)第一個(gè)應(yīng)答幀，應(yīng)答幀的內(nèi)容為時(shí)刻Ti2。子節(jié)點(diǎn)在Ti4時(shí)刻收到應(yīng)答幀，獲得時(shí)間Ti2。主節(jié)點(diǎn)在Ti3時(shí)刻后任意延遲一段時(shí)間發(fā)送第二個(gè)應(yīng)答幀，應(yīng)答幀的內(nèi)容為時(shí)刻Ti3，使子節(jié)點(diǎn)能在某時(shí)刻獲取時(shí)間Ti3。
 
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注：在此我們假定，信息幀由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送至子節(jié)點(diǎn)需要的空中傳輸時(shí)間和信息幀由子節(jié)點(diǎn)發(fā)送至主節(jié)點(diǎn)需要的空中傳輸時(shí)間相同且穩(wěn)定。且信息幀長(zhǎng)度等于主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的“角度采集廣播幀”長(zhǎng)度。
假設(shè)主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘超前子節(jié)點(diǎn)△Ti，信息幀的空中傳輸時(shí)間為ti，可得：
Ti2 = Ti1 + △Ti + ti                                       ①
Ti4 = Ti3 - △Ti + ti                                       ②
由式①和②聯(lián)立可得：
△Ti  = （Ti2 - Ti1 -  Ti4 + Ti3）/2
 ti   = （Ti2 - Ti1  + Ti4 - Ti3）/2
5. 主節(jié)點(diǎn)和工控機(jī)的通信
主節(jié)點(diǎn)和工控機(jī)采用RS-232 串行數(shù)據(jù)傳輸，串行口通信方式為異步串行通信，速率為19200bps，信息格式為1位開始位、8 位數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位，采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。以下是串口初始化程序片斷：
void ConsoleInit(void)
{
#if defined(USART_USE_BRGH_HIGH)
      TXSTA = 0x24;   //設(shè)置串口發(fā)送狀態(tài)寄存器
#else
TXSTA = 0x20; 
#endif
      RCSTA = 0x90;    //設(shè)置串口接收狀態(tài)寄存器
   // SPBRG_VAL = CLOCK_FREQ/BAUD_RATE/64 – 1，BAUD_RATE=19200bps
      SPBRG = SPBRG_VAL;
  TXIE = 1; //默認(rèn)情況下串口處于發(fā)送狀態(tài)，使能發(fā)送中斷
     TXIP = 1;
  //RCIE = 1; //若需要執(zhí)行串口接收，使能發(fā)送中斷
     //RCIP = 1;
}
6. 結(jié)論
將信息傳輸無(wú)線化，可免去關(guān)節(jié)臂式測(cè)量機(jī)的臂內(nèi)電纜線,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的無(wú)限旋轉(zhuǎn)。本文設(shè)計(jì)的“基于ZigBee技術(shù)的角度同步采集傳輸系統(tǒng)”的無(wú)線硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)解決方案經(jīng)測(cè)試運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)線通信誤碼率低、可靠性高、安全性好。在室內(nèi)測(cè)試環(huán)境下，無(wú)線收發(fā)速率可以穩(wěn)定達(dá)到18kbps，重傳后誤碼率不高于10¬-5數(shù)量級(jí).
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將ZigBee無(wú)線通信技術(shù)與機(jī)械測(cè)量相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee技術(shù)的角度同步采集傳輸系統(tǒng)，應(yīng)用在關(guān)節(jié)臂式測(cè)量機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)的無(wú)限旋轉(zhuǎn)。