CNC壓機無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計

引 言

航空電連接器玻璃粉末CNC壓機系統(tǒng)，在設(shè)計上采用先進的智能數(shù)控技術(shù)，配備高精度閉環(huán)控制伺服液壓系統(tǒng)、可控模沖模架和智能機械手系統(tǒng)，建立集成各種精確測量傳感器、輔助設(shè)備的計算機壓制控制中心，確保生產(chǎn)過程質(zhì)量精確控制，提高壓制產(chǎn)品的尺寸、形狀和位置精度，實現(xiàn)壓機系統(tǒng)和自動生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)的連通。可靠、有效傳輸傳感器數(shù)據(jù)是壓機控制中心進行數(shù)據(jù)處理的前提，針對壓機傳感器數(shù)量多、種類多、傳感器數(shù)據(jù)與生產(chǎn)線其他設(shè)備共享的生產(chǎn)現(xiàn)狀， CNC壓機系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采用無線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)采集和傳輸，提高數(shù)據(jù)實時傳輸、快捷傳輸和其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計是 CNC壓機系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)順利工作的關(guān)鍵。

無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)組成

CNC 壓機系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本組成部分是由大量的節(jié)點和少數(shù)的網(wǎng)關(guān)組成。傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)壓機及外圍輔助設(shè)備工作過程中的數(shù)據(jù)的采集、處理及傳輸。傳感器節(jié)點隨機部署在所需測量的各個設(shè)備組件中，每個節(jié)點可以采集數(shù)據(jù)，并采用自組多跳路由無線方式將信息傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點是一類特殊的節(jié)點，網(wǎng)關(guān)的作用主要負(fù)責(zé)在兩個不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換。傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺。

CNC 壓機的無線傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要應(yīng)用于壓機本身的生產(chǎn)控制和生產(chǎn)線上其他設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，所需節(jié)點有功耗低、成本低、體積小等限制條件，設(shè)計采用基于射頻芯片CC2420 和處理器ATMEGA128L 為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點，無線網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的組成如圖 1 所示。

1.2 網(wǎng)關(guān)硬件模塊組成

無線傳感器網(wǎng)關(guān)是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，一般由無線通信模塊、處理器模塊、傳感器模塊和電源模塊組成，網(wǎng)關(guān)硬件連接如圖 2 所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點有較強的信息處理能力和存儲能力，對目標(biāo)地點進行信息數(shù)據(jù)的采集、處理，并把收集到的信息轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點具有串行接口，通過這些接口實現(xiàn)與其他系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連接。

無線網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點的通信模塊接收其他節(jié)點經(jīng)無線方式發(fā)射的數(shù)據(jù)，然后傳送給處理器作進一步處理，數(shù)據(jù)在處理器單元得到處理后，經(jīng)過部分?jǐn)?shù)據(jù)的融合、轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)用戶對數(shù)據(jù)的管理、查詢等功能。數(shù)據(jù)處理完畢后，通過串行接口RS 232 將數(shù)據(jù)傳送至壓機CNC 控制中心或其他系統(tǒng)設(shè)備。

1.3 網(wǎng)關(guān)硬件的選型

無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊是網(wǎng)關(guān)的核心組成部分， 對硬件的選型主要是對射頻芯片以及微處理器的選擇。射頻芯片的性能要滿足ZigBee 協(xié)議對硬件的要求。對微處理器的選擇還要從器件的體積、功能、外部接口、存儲容量、速率、成本、功耗等各方面是否滿足壓機系統(tǒng)的實際需要來進行比較，對射頻芯片的選擇從器件的功能、能耗、封裝大小、應(yīng)用電壓等各方面來進行考慮。

(1) 微處理器選型。壓機系統(tǒng)設(shè)計的網(wǎng)關(guān)在實際使用時采用TinyOS操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)境中，傳感器節(jié)點需要采集位移、壓力、電壓、流量、溫度等設(shè)備運行時的數(shù)據(jù)信息，相應(yīng)地網(wǎng)關(guān)也需要轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點發(fā)送來的繁雜數(shù)據(jù)信息給上位機，同時為避免系統(tǒng)升級而更換硬件帶來的不便， 節(jié)點預(yù)留了部分存儲空間。在綜合比較分析了各項指標(biāo)后，選擇了Atmel公司生產(chǎn)的ATMEGAL28L，它擁有更大的容量， 功能眾多的I/O 接口以及較低的價格，且 6種低功耗睡眠模式滿足ZigBee協(xié)議對硬件的要求。

(2) 射頻芯片選型。壓機系統(tǒng)設(shè)計的網(wǎng)關(guān)采用ZigBee協(xié)議，因此對射頻芯片的選擇必須符合IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議。常見的有美國 Ember公司的 EM2420、ComXs公司的ML7065、挪威Chipcon 公司的 CC2420等。射頻芯片的選擇主要是從芯片功能、能耗、封裝大小、通信距離、芯片工作時所需外圍器件的多少，是否支持小電壓工作，睡眠電流以及資料是否詳實等各方面來進行綜合考慮。通過綜合比較，選擇CC2420芯片作為網(wǎng)關(guān)的射頻芯片。

1.4 網(wǎng)關(guān)接入上位機的硬件實現(xiàn)

根據(jù)在壓機系統(tǒng)實際工作的需要，設(shè)計的網(wǎng)關(guān)主要由數(shù)據(jù)處理、無線收發(fā)和電源三個單元組成。網(wǎng)關(guān)除了提供給傳感器節(jié)點接入Internet 的接口、運算、存儲、電源等基本的嵌入式系統(tǒng)模塊之外，它還需配備與傳感器節(jié)點配套的各個通信接口。網(wǎng)關(guān)的硬件圖如圖 3 所示。

1.5 無線傳感器網(wǎng)關(guān)的硬件實現(xiàn)

(1) 網(wǎng)關(guān)處理器電路圖設(shè)計。網(wǎng)關(guān)以 ATMEGAL28L處理器為核心，同時配備了512KFlash存儲器，支持外部中斷， 有強大的同步/異步串行通信接口，支持SPI通信。射頻模塊采用Chipcon 的 CC2420實現(xiàn)，該芯片支持IEEE802.15.4物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，工作于 2.4GHz頻段，最大數(shù)據(jù)達(dá)250b/s。采用RS232串行接口，配置 MAX232電平轉(zhuǎn)換單元。壓機系統(tǒng)的ATMEGAL28L以及它的外圍電路圖如圖 4所示。

(2) 電平轉(zhuǎn)換單元設(shè)計。ATMEGAL28L通過普通I/O 口與PC機 RS232串口實現(xiàn)通信的硬件接口電路如圖 5所示。由于PC系列微機串行口為RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，與輸入、輸出均采用 TTL 電平的 ATMEGAL28L 在接口規(guī)范上不一致，RS 232 信號的電平范圍為－12 V ～－ 5 V，5 V ～ 12 V，單片機 串口信號為 0 V ～ 3 V，因此需要采用電平轉(zhuǎn)換器件。系統(tǒng)采 用 MAXIM 公司的 MAX232 標(biāo)準(zhǔn) RS 232 接口芯片，該芯片可 以用單電壓（+5 V）實現(xiàn) RS 232 接口邏輯“1”（－3 V ～－15 V） 和邏輯“0”（+3 V ～ 15 V）的電平轉(zhuǎn)換。

1.6 射頻模塊初始化

CC2420進行無線通信前需進行初始化，初始化分為對ATMEGAL28L的有關(guān)端口進行初始化，對 CC2420相關(guān)寄存器進行初始化及對無線通信進行初始化三部分。對端口初始化包括對ATMEGAL28L 的SPI 端口進行初始化，并將VREG_ EN 管腳輸出高電平打開 CC2420 的電壓調(diào)整器，RESET_N 管腳置低電平激勵 RF_RESET_ 復(fù)位CC2420。CC2420 在復(fù)位時對各寄存器均進行默認(rèn)的初始化，CC2420 的初始化流程圖如圖 6 所示。

CC2420 發(fā) 送 子 程 序。 在 初 始 化 程 序 中，CC2420 MDMCTRL1.TX_MODE 置位，初始化后，節(jié)點準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，首先判斷 SFD 引腳和FIFOP 腳的狀態(tài)，當(dāng)CC2420 發(fā)送接收空閑時，清空 TXFIFO 發(fā)送緩存區(qū)并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包以 IEEE 802.15.4 MAC 層數(shù)據(jù)幀格式依次寫入，若 RSSI 有效且STXONCCA 信道估計顯示信道空閑，則寫命令選通寄存器 STXONCCA 使能發(fā)送功能，發(fā)送數(shù)據(jù)包。圖 7 所示為CC2420 發(fā)送程序流程圖。

CC2420 接 收 子 程 序。 在 初 始 化 程 序 中，CC2420 MDMCTRL1.RX_MODE 置 位，CC2420 接 收 工 作 在 RXFIFO 緩沖工作模式。MDMCTRL0.ADR_DECODE 設(shè)置為 1， CC2420 啟動硬件自動地址識別，在接收時，CC2420 將自動識別源地址和目標(biāo)地址。IOCFG0.BCN_ACCEPT 設(shè)置為 0， CC2420 只接收匹配 PAN ID 標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀。MDMCTRL0. AUTOCRC 置位，源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時在最后一個數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后自動發(fā)送16 位校驗碼，目標(biāo)節(jié)點在接收時自動計算幀的CRC 校驗 ；當(dāng)接收節(jié)點接收到完整的數(shù)據(jù)包后，在 12 個信號周期內(nèi)自動向源節(jié)點回復(fù)成功接收的確認(rèn)幀。圖 8 所示為CC2420 接收程序流程圖。

2 結(jié) 語

玻璃粉末CNC 壓機系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)關(guān)技術(shù)，把CNC 壓機的各類傳感器數(shù)據(jù)和壓機控制系統(tǒng)進行實時連接， 提高傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒕_性和便捷性，同時傳感器獲得數(shù)據(jù)通過無線的方式傳輸?shù)缴a(chǎn)線其他配套設(shè)備中， 為生產(chǎn)線其他設(shè)備的平穩(wěn)、安全運行提供了參考數(shù)據(jù)。