基于C8051F和Zigbee无线网络的汽车测试系统设计

摘要：以C8051F020为核心处理器，设计无线传感器网络数据采集系统。系统采用SZ05-ADV型无线通讯模块组建Zigbee无线网络，结合嵌入式系统的软硬件技术，完成终端节点的8路传感器信号的数据采集。现场8路信号通过前端处理后，分别送入C8051F020的12位A／D转换器进行转换。经过精确处理、存储后的现场数据。通过Zigbee无线网络传送到上位机，系统可达到汽车试验中无线测试的目的。
关键词：Zigbee；无线网络；C8051F020；嵌入式系统

    汽车试验是发现汽车设计开发中各种问题的重要手段，依据试验结果能对汽车各种性能做出客观的评价。作为汽车工业的基础工程之一，汽车试验在汽车工业的整体发展中发挥了重要作用。汽车性能测试系统是汽车试验工程的关键组成部分，它是由若干相互联系、相互作用的传感器和仪器设备等元件，为实现对汽车各项性能的测试而组成的有机整体，汽车测试系统的性能往往对整个汽车试验的效用产生重要影响。现有的汽车测试系统多采用有线连接，该方式存在2个弊端：1)汽车试验需在大型专用试验场或典型地域等恶劣环境中进行，现场布线任务繁琐且易出错；2)一些汽车试验如蛇形试验具有高危险性，对能够减少试验损失的测试系统更为重要。该系统以Cygnal公司的C8051F020单片机为控制核心，基于Zigbee无线网络技术设计例如多通道数据综合采集系统，它利用较少的外围器件实现汽车试验中性能参数的测试，缩短了现场布线时间，提高了试验效率，且在试验事故发生时减少事故损失。

1 系统总体结构设计
    汽车试验主要包括动力性能、燃油经济性、操纵稳定性和排放特性等测试项目，主要性能参数有速度、加速度、燃油消耗量、温度以及操纵稳定性试验中的动态运动参数等，通过传感器得到的这些参数的测试信号，经过前端处理模块处理(整形、滤波、放大等)后送入C805l-F020微处理器中，在单片机内部进行模数转换和数据处理后通过串口实现与Zigbee终端节点的连接，再由终端节点在WLAN中将数据发出，Zi-gbee中心节点接收到数据后经串口与上位机进行通讯。中心节点也可将上位机的命令发送给终端节点，控制终端节点执行。系统总体结构框图如图1所示。

2 系统硬件设计
2．1 前端处理模块
    传感器将各种常见的非电量信号转换为电量信号，一般都较微弱，前端处理模块将这些信号进行处理后送至单片机的A／D转换端口。本系统共有8路传感器信号，包括2路压变传感器信号、2路-5～+5 V电压信号、2路4～20 mA电流信号和2路热电偶信号的前端处理。其中压变传感器信号和热电偶信号前端处理硬件电路分别如图2和图3所示。

    AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需1个外部电阻设置增益，增益范围为l～10 000。对压变传感器信号的前端处理采用AD62-0、AD705组成的放大电路，该部分采用单电源供电，AD705是电压跟随器，为AD620提供输出电压的零点。将VREF、AGND送至MCU的8位精度AD-Cl的AINl．0、AINl．1端口，利用软件程序实现该路信号的参考电压和模拟地的计算。
    热电偶传感器用来测量汽车关键部件温度，其前端处理电路采用OP07的可调增益放大电路。OP07是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，具有非常低的输入失调电压，低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等。在对精确度要求不高的场合，OP07的失调电压可忽略，该电路中R25和R24用来调整系统放大倍数，在选用不同类别的热电偶时可适当调整两者的阻值。
2．2 C8051F020模块
    C805lF020是Cygnal公司的一种混合信号SOC型8位单片机，它是完全集成的混合信号系统级MCU器件，具有64个数字I／O引脚。该单片机采用高速805l微控制器内核，速度可达25 MI／s，具有8个I／O口，5个通用定时器，5个捕捉／比较模块及专用看门狗定时器，可同时使用SM-Bus，SPI及2个UART串口，内置64 kB高速存储器。模拟外设方面，器件具有1个12位A／D转换器，1个8位A／D转换器，2个12位D／A转换器及2个模拟比较器。器件内部的这些数字和模拟外设使系统的设计更简单，集成度更高。
    本模块主要设计C8051F020的复位电路、外接晶振电路和接地处理，并将所有引脚引出，以便扩展应用。系统需要高速运行才能及时、有效地进行数据采集，所以单片机在一般情况下采用内部振荡器作为时钟源。但由于内部时钟的误差太大，在串口通讯的过程中，要选用外部时钟，通过软件设置可以实现内外时钟的切换。在电源处通过去耦电容接到模拟地上，可以减少干扰回路的面积，降低电磁干扰辐射，可以把数字电流引起的干扰耦合到地，而不在外部电路的地中出现。为了使电容耦合最小，两者没有交迭，2个独立的地在电源的公共“星”型地处通过瓷珠接到一起，电源处也采用类似处理以防止干扰。
2．3 Zigbee节点模块
    本文研究的汽车测试系统初步采用2个终端节点和1个中心协调器组成星状网的拓扑结构，3个节点均选用SZ05-ADV型无线收发模块，Zig-bee终端节点和中心节点通过标准串口分别与C8051F020模块和PC设备相连接，实现数据的无线传输。SZ05-ADV是高性能嵌入式无线收发模块，其核心器件是Freescale公司的MCl3213。它是第2代标准ZigBee无线通信平台，在9 mmx9 mmxl mm 7l引脚LGA封装中集成有低功耗的2．4 GHz RF收发器和8位微控制器，MCl3213器件具有60 kB的闪存，MCl32lx解决方案能在简单的点对点连接到完整的ZigBee网状网络中用作无线连接，小占位面积封装中的无线电收发器和微控制器的组合使其成为成本效益的解决方案，MCl321x中的RF收发器工作在2．4 GHzISM频段，和802．15．4标准兼容，收发器包括低噪音放大器，1 mW的RF输出功率，带VCO的功率放大器(PA)，集成的发送／接收开关，板内的电源稳压器以及完全的扩展频谱的编码和译码，MCl32lx中的微控制器基于HCS08系列微控制器单元(MCU)，HCS08 A版本，高达60 kB的闪存和4 kB的RAM。
    SZ05-ADV嵌入式无线通信模块集成有符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器，其数据接口包括：TTL电平收发接口、标准串口RS2-32数据接口，可以实现数据的广播方式发送和目标地址发送模式。除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯。其模块连接电路如图4所示。DATA、RUN、NET、ALARM为SZ05-ADV无线通信模块的4个工作状态指示端口，分别是数据收发、系统运行、网络状态和告警。SLEEP引脚用来控制系统进入低功耗状态，低电平进入低功耗，高电平或悬空正常运行。

    485CTL引脚是485收发控制，模块485接收时低电平输出，发送时高电平输出。CENTER、DEVICE引脚是节点功能配置接口，均为低电平有效，或分别与引脚tiao7、tiao8接跳线帽实现，如这2个引脚都为高电平或悬空则为路由节点。CONFIG引脚是配置接口，低电平有效，或加跳线帽，可在超级终端中进入系统配置状态。模块标准工作电压为DC-5V，正常工作电压范围为5～12V。数据接口有RS-232和TTL收发2种接口模式。RS-232串口为TX2、RX2、SGND三线工作模式，TTL为TX1、RXl两线工作模式，TTL电平为3．3V。RESET进入低电平状态3s，系统进入配置状态，高电平或悬空状态则进入工作状态。
    无线通信网络节点按功能可分为中心协调器、路由器和终端节点，中心协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能；路由器负责数据的路由中继转发，终端节点只进行本节点数据的发送。在该系统中，可以预先在计算机超级终端中对无线模块进行节点类别、节点名称和地址、无线频点、网络ID、波特率和数据类型的配置，配置正确后在上电时可以自动组成网络。

3 软件设计
    系统程序开发采用C805lF系列单片机的专用集成开发环境Silicon Laboratories IDE，配置使用Keil C5l的汇编器、链接器和编译器。利用C5l开发程序有利于系统程序的模块化以及增加其可移植性，并能降低开发周期。系统软件由主程序和A／D转换、数据处理和通信这3个子程序组成，其中主程序部分包括系统初始化、调用A／D转换、数据处理、串口发送等子程序。初始化部分包括：看门狗模块初始设置、系统时钟及复位源的设置、I／O端口初始化、串行通信接口初始化、A／D转换的初始化及定时器初始化等。ADC0的最高转换速度为。100 ks／-s，其转换时钟来源于系统时钟分频，分频值保持在寄存器ADCOCF的ADCSC位。在该片上系统中需要采集8个通道，将采样频率设置为50 000次／s。选用的ADCO转换启动方式为定时器3溢出(即定时的连续转换)方式。

4 试验
    在Silicon Laboratories IDE中将程序通过U-EC2专用编程器烧写入C805117020后，将各个模块连接进行调试，如图5所示。8路传感器信号(包括2路压变传感器，2路-5～+5 V信号，2路4～20 mA信号和2路热电偶信号)经前端处理后送至MCU，经A／D转换和数据处理后通过串口输出到Zigbee终端节点并在无线网络中按目的地址模式或广播模式发送，Zigbee中心协调器与上位机通过标准RS232串口连接，可以在超级终端或串口调试器中查看收到的数据。本研究侧重于实验开发，电源模块可采用将常见的220 V转双9 V变压器，经整流桥后，由LM7805、LM7905稳压输出-5 V和+5 V的结构(3．3 V电压可由AMSlll7模块转换后得到)，实际应用中可设计专门的电源模块以方便使用。试验结果表明，系
统可以实现2个终端节点的各自8路传感器数据采样，Zigbee无线网络运行正常，在超级终端中可以看到试验的实时数据。

5 结束语
    本文设计的基于C805lF020和Zigbee无线网络的汽车测试系统实现了汽车试验中数据的无线传输，从而简化了试验现场布线，提高了试验效率，一旦试验事故发生，损失也大大减少，实验证明了该系统取代传统汽车测试系统的可行性，同时系统的扩展也比较容易，可以实现更多功能。本研究侧重于Zigbee无线网络的应用开发，可为Zigbee技术在传感器网络中的应用提供一定的参考，但局限于软件程序系统和试验的电磁干扰，该系统的同步机制和抗干扰性能有待于进一步研究。