基于ZigBee的LAMOST无线控制系统设计

杨明山， 王梦灏， 陈远港， 顾永刚， 翟 超

(中国科学技术大学 工程科学学院，安徽 合肥 230026)

LAMOST(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope，大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)，是一架视场为5°、横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜，也是我国正在进行的一项大型科学工程项目[1-4]。在LAMOST控制系统中，为了保证4000个驱动板正常工作，需要设计一套控制系统来控制4000个光纤单元都到达指定的位置进行观测。该控制系统使用ZigBee无线网络技术，它是一种基于802.15.4物理层协议，支持自组网、多点中继，可实现网状拓扑的复杂的组网协议，加上其低功耗的特点，使得网络间的设备必须各司其职，有效地协同工作。ZigBee技术在LAMOST中的应用，首先解决了LAMOST中有线系统控制线无法空间安装的问题，其次ZigBee无线通信系统相比蓝牙、WiFi等控制系统具有低功耗、高效、低成本、短延时、网络容量大、安全性能高、数据传输可靠等优点，使得ZigBee通信成为了该系统高密度通信下的最优选择。为了达到观测要求，对整个控制系统的无线通信质量提出了较高要求并带来较大挑战。

原有的LAMOST控制系统已经不能够满足现有的工程需求，主要存在以下几方面问题：① 原有的LAMOST控制系统采用Freescale所提供的芯片，这些芯片如今已经停产，且在性能方面也略有不足；② 原有的LAMOST子节点控制板的自身功耗较大，长时间通电的情况下，会导致子节点控制板发热，4000个子节点控制板发热，会导致周围环境温度的变化，因此，在子节点控制板自身功耗方面可以进行进一步的改善优化；③ 原有的控制系统的无线性能方面存在不足，使得整个控制系统的更换维修工作量增大，成本增加；④ 原有的控制系统在通信时间方面有待进一步改善。

针对原有控制系统存在的性能不足，对LAMOST无线系统进行了全面的设计和优化，解决并改善了上述问题，极大地提高了该系统的通信成功率和通信效率。该控制系统的设计难点在于：① 子节点控制板在有限宽度的PCB板上面，如何进行阻抗匹配以及各个元器件的布局，才能使得无线信号的质量达到最优；② 对于高密度ZigBee通信而言，在通信时间提出更高要求的情况下，如何提高通信的信号质量并降低误码率。

1 系统结构及原理

该无线控制系统主要包括上位机、STM32+CC2530主节点和子节点，其控制网络图如图1所示。

上位机与主节点的通信方式可以通过3种方式，分别是CAN总线、以太网和串口[5-7]。该系统现场采用CAN总线通信的方式将所有单元的控制数据发送给4个主节点，每个主节点接收属于自己控制的数据，由主控芯片STM32经过一系列的处理，再通过串口发送给射频芯片CC2530，CC2530接收到数据之后，直接通过ZigBee无线通信发送给1000个子节点控制板，子节点控制板收到数据执行运转命令，带动光纤定位单元到达指定位置，并在主节点询问时回复子节点实时的状态。针对LAMOST的现场环境限制，分别对该控制系统的主节点与子节点的硬件部分以及整个控制系统的软件部分进行了设计。

2 系统硬件设计

该控制系统的硬件设计主要包括主节点硬件设计与子节点控制板硬件设计，难点在于子节点控制板的无线射频部分的设计。

图1 系统机构整体框图

2.1 主节点的硬件设计

由于主节点的数量较少，对主节点功耗的设计和主节点版型大小方面没有严格要求，因此在主节点设计中，采用STM32+CC2530+RXF2401的模式进行设计。主节点与上位机的通信设计，主要包括3个模块：串口模块、CAN总线和以太网。CAN总线模式和以太网模式主要用于现场控制，而设计串口通信的目的是方便在实验室进行试验，CAN总线收发器采用TJA050收发器，该收发器将差分电压转换为高低电平，中间采用了光耦隔离6N137对输入输出信号进行隔离，串口芯片采用UT3232G，该芯片用于RS232电平与单片机串口TTL电平的转换。主控芯片STM32通过串口将无线数据发送给射频芯片CC2530，CC2530再通过功率放大RXF2401C将无线信号发送给子节点控制板。主节点无线部分的设计极大提高了主节点的无线发送功率和无线接收的灵敏度。

2.2 子节点的硬件设计

2.2.1 电源模块设计

子节点的硬件设计难点在于小型化的版型设计要求，对低功耗设计和阻抗匹配设计都提出了很高的要求，因此在子节点控制板的设计中，主要考虑其电源和射频部分的设计。

由于现场需要控制4000根光纤单元，驱动板的数量巨大，整个控制系统的功耗也必须加以考虑，再考虑到PCB布局，电源部分采用开关电源TPS5430进行设计，TPS5430内部功能框图如图2所示。

图2 TPS5430功能框图

TPS5430内部集成了一个高性能的电压误差放大器，在瞬态条件下有严格的电压调节精度，具有欠压锁定功能，以防止输入电压达到5.5 V时启动；内置慢启动电路限制浪涌电流，电压前反馈电路改善瞬态响应。还包括了一个灵敏的高电平使能端、过电流保护和热关断。其转换效率高达95%，输出端的纹波噪声也满足设计要求。

开关电源的外围电路设计中，本系统采用串联开关稳压电路设计，简称BUCK电路，其电路图如图3所示。

图3 BUCK电路图

包围电路设计步骤如下。

① 选择续流二极管。续流二极管选用快恢复二极管B340，其额定工作电流3 A和反向耐压值40 V均满足该系统电路的设计要求，并留有一定的余量。

② 确定临界电感。该功率电感的最小值根据数据手册提供的计算公式进行计算。

式中，KIND为系数，代表了电感纹波电流相对最大输出电流，推荐值为0.2～0.3；FSW为TPS5430中开关管的工作频率，500 kHz；VIN为输入电压，12 V；VOUT为输出电压，3.3 V。计算得到临界电感为8 μH,该系统设计中，选用电感值为22 μH。

③ 确定电容。根据LC谐振频率要尽可能地接近于内部补偿频率，这里选用的电容是100 μF的陶瓷电容，同时在电源的输入和输出端分别加了去耦电容。该系统需要3.3 V的输出电压，VSENSE的电压为1.22 V，因此选择5.9 kΩ和10 kΩ作为分压电阻，使得输出电压为3.3 V。开关电源的外围电路设计图如图4所示。

图4 TPS5430外围电路设计图

2.2.2 无线射频设计

由于现场环境的限制，子节点控制板宽度在10 mm左右，因此子节点控制板无线射频不能采用占用面积较大的PCB天线，而且对天线的布局以及射频相关的走线都提出了很高的要求。在整个设计的过程中，采用了如下的匹配方案。

(1) 对于差分线以及单端线的设计计算，采用SI9000[8-9]对差分线进行69 Ω匹配和对单端线进行50 Ω阻抗匹配，如图5和图6所示。

图5 单端信号线阻抗匹配

图6 双端信号线阻抗匹配

在PCB设计中，传输线的特征阻抗与介质层的厚度、介电常数、铜箔厚度、线宽、线距、油墨厚度等有关，因此，在设计过程中，这些因素都要考虑。通常按照下面的公式对其阻抗进行分析计算：

式中，Z为传输线的特征阻抗；εr为介电常数；H为参考层厚度；W为走线宽度；T为铜箔厚度。在1.6 mm板厚设计中，如采用第二层为参考层，会使单端线的走线宽度非常小，对无线信号影响很大，若采用第三层为参考层，会使走线宽度很宽，无法走线。故在最终的设计中，采用0.6 mm板厚，以第三层为参考层设计，最终使阻抗达到匹配[10]，射频信号在传输过程中产生的反射最小，再通过电容电阻的微调，从而使无线信号的质量达到最佳。

(2) 双端信号与单端信号之间的匹配由于空间限制采用集成器件CC2530专用BALUN，其双端阻抗为69 Ω，单端阻抗为50 Ω，BALUN的作用是进行阻抗转换，将双端69 Ω的阻抗转换为单端50 Ω的阻抗并实现单端信号与双端信号的转换。

(3) 选用了性能更好的AT7020-E3R0HBAT天线，特征阻抗为50 Ω，其布局注意了以下几点：① 对天线的布局进行净空处理；② 将天线布局在PCB板边缘，使无线信号更有效率地发射出去；③ 陶瓷天线严格按照数据手册进行布局。

(4) 利用高品质的电容电感对无线部分的阻抗进行修正，使得阻抗匹配达到最佳，反射最小，信号质量最好。其匹配方法如下。

① 串联一个电容，并联一个电感调谐。

先将电容调到最小，然后调节电感(先粗调，再细调)使得信号强度达到最优，再调节电容使得信号强度达到最优。

② 分别串联和并联一个电感进行调节。

电容电感的作用：串联电感L，使阻抗点从容性阻抗沿着Smith图中的等电阻圆向右转，减小容性阻抗；串联电容C，使阻抗点从感性阻抗沿着Smith图向左转，减小感性阻抗；并联电感L，使阻抗点从沿着Smith图中的等电导圆向左转；并联电容C，使阻抗点从沿着Smith图中的等电导圆向右转[11]。

3 系统软件设计

3.1 软件设计思路和编程方法

该控制系统软件的设计主要包括以下3个部分。

① 上位机读取所有单元的运行数据，通过CAN总线的通信方式或串口发送给主节点，数据格式的设计需要尽可能地利用每一个字节的每一位，以保证整个传输数据长度足够短，从而减少后续的通信时间。其协议定义为时间标志+控制命令+数据命令+校验+结束符。控制系统的数据协议如图7所示，每个主节点控制1024个子节点控制板，定义数组大小为data[1024×6+10],发送数组的前4位为时间标志位，时间标志位的设计用于实时询问子节点状态，当上位机长时间没有接收到主节点所反馈的子节点控制板状态时，上位机带着时间标志去询问主节点该时间标志下的运行结果；数组第5位为控制命令，包括运转命令、测试命令、询问命令、停止命令等；数组第5位与数组第6位为运转单元的数目，一般为每个主节点控制1024个子节点控制板；接下来为每个子节点单元数据，每个单元由6位数据构成，中心轴和偏心轴控制分别占3位，数据包括控制命令、步数和校验位。校验采用奇偶校验，存储在每个单元运转数据的第1字节的第3位。该协议的优势在于将每个单元运转所占据的字节数降到了最小，有利于减少通信时间，使得控制系统更加高效，也确保了数据传输的可靠性与准确性。

图7 控制系统数据协议

② 当主节点接收到上位机通过串口或者CAN传来的单元数据后，主节点对单元数据进行校验和分析处理，并对单元数据进行分组。针对ZigBee协议传输，每次发送的字节数最多为128个字节，除去帧头帧尾的11个字节，还有117个字节用于存放子节点控制板数据，因此成组设计中，每组包含17个单元的数据，每个单元6个字节，一共112个字节。然后通过串口发送给射频芯片进行无线发送，每次无线发送时，首先打开功率放大器件RXF2401C，分组发送完成结束，子节点收到数据便开始运转，然后主节点进行逐一轮询子节点状态，询问时，主节点需要带着当前子节点的运转数据，如果该子节点核验数据正确并正在运转则回复当前状态即可，如果有误，再重新接收数据并运转，直至所有单元运转完成并反馈子节点控制板状态给上位机，极大地提高了无线控制系统的效率及可靠性。

③ 当子节点控制板收到成组数据时，对这些数据进行筛选，选择属于自己的运转数据进行分析处理，校验数据的正确与否，然后控制A3988驱动单元进行运转，并在主节点进行询问时将字节的状态返回给主节点。

3.2 软件实现流程图

该无线控制系统的软件实现流程框图如图8所示。上位机通过CAN总线或者串口发送数据给主节点，主节点校验数据，若错误则返回错误类型，上位机重发，若正确则对数据进行整理，通过ZigBee成组发送单元运转命令给子节点，子节点接收到成组命令开始运转，接着主节点开始逐一查询子节点状态，并根据子节点状态进行下一步操作。

图8 软件实现流程图

逐一问询时，需要在主节点发送无线命令后，等待子节点回复主节点指令，以便知道子节点的状态和防止多个子节点控制板同时回复指令造成的信道阻塞。采用成组发送的方式，不需要子节点回复，子节点只需要在被询问时回复即可，而询问的动作发生在子节点控制板控制电机运行的过程中。而原有LAMOST控制系统中，采用逐一向子节点控制板发送数据的方式，逐一确认数据是否正确，而在询问时并未带单元数据，增加了发送单元数据的通信时间。因此，成组发送、逐一询问的控制方式在很大程度上减少了整个控制系统的通信时间。经实验测试，成组发送的通信方式很大程度上减少了整个控制系统的通信时间，尤其当子节点控制板出现损坏时，减少的时间更为显著。

4 实验结果与分析

为了测试该控制系统的性能，将该控制系统的性能与原有的LAMOST控制系统的性能分别从自身静态功耗、子节点控制板信号强度和高密度的通信性能等方面进行了对比实验，实验结果如下。

4.1 自身功耗对比实验

对该控制板与原控制板进行自身功耗对比，实验装置如图9所示。

图9 子节点控制版功耗测试装置

采用12 V电源供电，分别以25个和50个子节点控制板为一组进行对比试验，用电流表读取总电流值，结果如表1所示。

表1 本文控制板与原有控制板总电流值对比 单位：A

由表1可得，原控制板静态电流单个约为30 mA，该控制板静态电流单个约为20 mA，两者是在相同电压12 V供电的情况下测得的电流，所以根据功率公式P=UI可得，原控制板的静态功耗为360 mW，本文控制板的静态功耗为240 mW，在静态功耗方面降低了约33%。

4.2 无线信号质量对比实验

该实验用于测量单个子节点控制板的信号质量强度，分别通过频谱仪和TI所提供的抓包软件Packet Sniffer进行测试，频谱仪在贴近状态以及5 m远的地方进行测试，其无线信号的强度值可以直接在频谱仪右下角的频道功率处读得数值；Packet Sniffer在15 m远的地方进行抓包测试，其无线信号的强度值在抓包界面的右侧处读取LQI(Link Quality Indicator)值，LQI值反映信号的连接质量，最大为255，其值越大，表示信号连接质量越好，它与RSSI(Received Signal Strength Indication)有如下的转换关系：

接收功率P与RSSI值得转换公式为

P=RSSI+RSSI_OFFSET

式中，RSSI_OFFSET为经验值，一般取-45 dBm，实验装置如图10所示。

图10 无线信号质量测试装置

-49.26(dBm)=1.1857×10-5(mW)
-42.12(dBm)=6.137×10-5(mW)
-26.085(dBm)=2.463×10-3(mW)
-32.309(dBm)=5.876×10-4(mW)

4.2.1 频谱仪测试无线信号

分别选取10个控制板进行测试，用频谱仪分别在靠近控制板和距离控制板5 m处进行测量，取平均值，记录数据如表2所示。

表2 频谱仪测试无线信号强度比较 单位：dBm

表2的计算数据可以转换为接收功率，计算公式如下：

无线信号的发送强度均提高了。

4.2.2 Packet Sniffer测试无线信号

信号接收距离在15 m的距离下，用TI所提供的抓包软件Packet Sniffer进行抓包测试，测试数据如表3所示。

表3 Packet Sniffer抓包数据比较

由表3结果可知，无线信号发射强度提高了。

-74.61(dBm)=3.456×10-8(mW)
-69.19(dBm)=1.205×10-7(mW)

该实验结果表明，本文所设计的子节点控制板相比原有控制板，在无线信号的发射功率方面至少提高了5 dB。

4.3 高密度下通信性能测试实验

在实验室与现场进行高密度下的性能测试，将子节点控制板是否收到数据信息和子节点单元运转的情况反馈给上位机，由上位机显示整个控制系统的通信质量和通信成功率。实验中子节点的布置如图11所示。

图11 高密度通信实验现场

分别对原控制系统与本文控制系统做50个子节点和100子节点高密度通信实验。通过对比实验，在高密度通信的情况下，该控制系统的通信性能较原控制系统大幅提高，无论是误码率还是通信成功率方面，该控制系统都有较大的通信优势，实验结果满足预期的要求，为LAMOST数据传输提供了可靠的控制系统。

5 结束语

在实际工程需求的基础上，对整个控制系统进行了设计。在版型限制的条件下，通过SI9000分别对双端信号线和单端信号线进行了阻抗匹配；采用电阻电容对射频电路走线的阻抗进行微调；使用专用BALUN进行双端信号与单端信号的转换，使得整个无线控制系统的通信质量更加的可靠稳定；通过成组发送、逐一轮询以及通信协议和校验位的巧妙设计，使得整个控制系统在保证通信质量的前提下，降低了通信时间，保证了数据的准确性；通过对电源模块的重新设计，降低了控制板自身的功耗。

实验证明该系统的性能完全满足LAMOST控制系统的需求，为LAMOST提供了一套低功耗、高效率、可靠性高的无线控制系统。在今后的工作中，将进一步增加子节点控制版的密度，减小控制板的尺寸，增加板厚，提高子节点控制板的强度和高密度下通信的性能。