基于ZigBee的多路应力测量系统设计

王 朋 亮, 丁 金 华, 雷 晓 静, 付 青

(大连工业大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 大连 116034)

0 引 言

ZigBee技术是短距离无线通信技术的一种,具有功耗低、成本低、网络容量大、工作频段灵活、组网方便等特点。虽然ZigBee技术的应用很广,但用于实验教学仪器对应力进行测量的研究并不多见。对于应力的测量,很多科研技术人员对其进行了研究和探讨,宋东等[1]应用单片机和CAN总线的方式；马秀妮等[2]应用单片机和USB总线的方式,赵金等[3]应用ARM的嵌入式的应力测量,都是通过有线的方式进行数据的传输。为了改造梁弯曲正应力测定实验设备,提高设备的精度、灵敏度,解决实验不直观、实验室布线困难等问题,针对实际情况综合考虑,选择ZigBee技术作为整个应力测量系统的通信方式[4-7],提出了一种基于ZigBee与LabVIEW的多路应力测量系统。本系统能够在最少搬动实验设备、不增加成本的情况下,满足现代力学梁弯曲正应力测定的实验要求,提高实验的教学效果。

1 系统总体设计

整个系统由实验室中心节点和连接在多个应变片的中继路由节点两部分组成,如图 1 所示,中心节点和各中继路由节点在 IEEE802.15.4 协议的基础上共同构成一套结构简单、稳定和运行可靠的星形网络。其中各中继路由节点负责控制应变片、采集测量参数并将采集到的信号分时发送给主节点；主节点负责协调各子节点同步工作,同时将接收到的信号传输到PC机上进行处理、显示。PC机选用具有良好人机交互性能的虚拟仪器开发平台 LabVIEW ,实现上位机数据的显示和监控界面设计,在该平台下,添加 LabVIEW Instrument I/O 函数模板本身提供的 Serial 子 VI,通过数据流连接,可以实现 LabVIEW 界面和无线收发模块的实时通信。

图1 系统总体结构图

2 应变片接口放大电路

该系统应变片信号的顺利输入,系统需要添加A/D转换器。微处理器选用了C8051F350单片机芯片,目的是为了简化设计,降低投入,因为该芯片具有A/D转换器,不用添加片外A/D转换器。C8051F350单片机具有抽取滤波器、在片校准、8种增益设置和内部电压基准等多项功能。之所以这样是因为该芯片内部含有一个全差分24位Sigma-Delta A/D。

为了得到简单的接口电路形式,应变片输出应为DC 4～20 mA的标准信号形式, 或电压信号DC 0～10 V/0～5 V。恒流供电和恒压供电是由应变片组成的桥路的两种供电形式,系统采用恒流供电形式,由LM258运算放大器完成恒流电路,如图2所示。TL431接在运算放大器同相端,电阻R2和R3加在运算放大器U0反相端上,因此,电阻R2和R3上的电压也为2.5 V, 这样,形成恒流供电,因为流过电阻R2和R3上的电流,不因负载变化而变化。仪表放大器AD623放大了输出的电压信号后,传送至微处理器的A/D转换器。图2中W0为零点电平调整电位器,W1为增益调整电位器。

图2 应变片接口放大电路

3 多路应力测量系统电路原理

此多路应力测量系统除了5路传应变片信号输入电路外,还有12个I/O口与无线射频芯片MC13214 连接。MC13214 共有71个引脚,有18个引脚与外部连接,其中有12个引脚与CPU相连,如图3所示,57脚,串口数据收发指示；55脚,系统运行指示；56脚,网络指示；58脚,系统告警指示；62脚,低功耗,低电平进入低功耗,高电平或悬空正常运行；59脚,485收发控制；1脚中心节点,低电平有效；63脚,终端节点,低电平有效；64脚,配置接口,低电平有效或加跳线,进入系统配置状态； 21脚,接用户系统输出；20脚,接用户系统输入; 11脚,系统复位；40脚,接电源地,45脚,接电源+5 V输入。

图3 CPU与MC13214的连接部分简易框图

4 上位机系统

上位机选用笔记本电脑或台式机电脑,采用LabVIEW 8.5中文版编程,利用LabVIEW 8.5中文版可以实现友好的人机界面；LabVIEW中实现串口通信可以利用VISA(Virtual Instrument Software Architecture)节点的配置来实现与下位机的通讯。VISA是用于仪器编程的标准I/O函数库及其相关规范的总称,一般称这个I/O函数库为VISA库。VISA 库放在于计算机系统中,是计算机与仪器之间的软件层连接,用以实现对仪器的操控。VISA 是仪器驱动程序发展的一个工业标准,对于不同接口,可以使用相同的操作与仪器通信。由于LabVIEW中的仪器驱动程序主要用于编写,在进行串口驱动编程之前需要安装VISA 驱动程序(visa460full.exe),否则无法实现串口通信。

同时利用VISA节点也可实现下位机数据的上传, 也可以通过上位机对下位机应力采集通道进行设置；数据的实时显示、历史显示、数据分析与管理。在上、下位机之间通信建立成功后,可实现上位机对下位机实时监测,实时采集的数据下位机要向上位机上传,间隔1 s。

5 上位机与下位机的通信

5.1 通信接口

计算机与单片机要进行数据通信,在近距离数据通信的场合,常用的是RS232串行通信标准。要完成单片机与PC机的数据通信,必须进行电平转换[9],原因是二者的电气规范不一致,RS232串行接口配置于PC机上,TTL电平应用于8051单片机输入、输出电平。本设计选用MAX232芯片。在具体应用中,电容C1、C2采用105电容,C3采用0.1 μF,C4采用0.1 μF的去耦电容,用来消除电源噪声对器件的影响,C5采用0.1 μF电容, 必须尽量靠近器件连接,达到增强抗干扰能力的效果。单片机与 PC机的通信接口电路如图 4所示。

图4 单片机与PC机的通信接口电路

5.2 LabVIEW程序设计

如图4所示,通过visa configure serial port对串口进行配置,visa write由上位机通过串口向单片机发送指令,visa read读取从单片机发来的数据。作为虚拟仪器,应该具有友好方便的用户界面,数据读取后可以直接显示。LabVIEW按照一定周期依次向各个节点发送查询命令,并对反馈的数据作出记录和判断。可以利用while循环的循环次数i来选择要发送的命令。

为了便于将来对数据进行历史查询和分析,有必要对采集和分析得出的数据进行打印及保存,所以程序中设计了记录数据和打印波形的功能。对测试数据以电子表格文件存储,实现数据绘图、打印等处理功能。LabVIEW上位机界面如图5所示。

图5 上位机界面

6 结 论

研制了一种传输途径基于ZigBee网络,数据处理平台基于Labview的多路应力测量数据采集系统,从传感器的接口电路、单片机与无线射频芯片MC13214的连接、上下位机的通信、上位机的程序设计都进行了详细的说明。通过实验调试,该系统成功应用于我校力学梁弯曲正应力测量实验,达到了实验要求,效果良好。

[1] 宋东,王传清,王彦文,等. 基于CAN总线的时间应力测量装置[J]. 计算机测量与控制, 2009, 17(5):847-850.

[2]马秀妮,闫麦奎,李传伟,等. 基于USB总线和AT89C52单片机的数据采集系统设计[J]. 石油仪器, 2006, 20(5):73-74.

[3] 赵金,张克朗. 基于ARM920T的嵌入式静力测量系统设计[J]. 电子元器件应用, 2007, 9(5):5-7.

[4] 张瑛瑛,朱双东,丁鑫. 基于ZigBee的数据采集系统[J]. 宁波大学学报, 2009, 22(3):313-316.

[5] 代媛,杨龙,何东健. ZigBee在作物种植环境监测系统的应用[J]. 微计算机信息, 2009, 25(1/2):23-24.

[6] 马巧娟,郑萍,王晓光,等. 基于ZigBee和LabVIEW的多点无线温湿度采集系统设计[J]. 中国仪器仪表, 2009(4):49-52.

[7] 霍峰,王长松,巩宪锋,等. 基于ZigBee和LabVIEW的多功能数据采集系统[J]. 传感器与微系统, 2008, 27(7):82-85.