基于C8051F的Zigbee无线网络的汽车测试系统设计

汽车测试系统的中心议题：
    * 基于C8051F的Zigbee无线网络的汽车测试系统设计
汽车测试系统的解决方案：
    * 系统硬件设计硬件设计
    * 软件设计
    * 试验

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。