本站原创【摘 要】
在ZigBee协议的支持下,给电脑横机设计了一款远程控制系统,该系统主要可以实时监测电脑横机机群的工况.本文主要介绍了该远程控制系统的硬件设计,包括信号采集模块、电源模块、RS-232串口模块和人机模块.
【关 键 词】
ZigBee；电脑横机；系统
电脑横机是新型的纺织机械,它主要用于羊毛衫的生产,从20世纪70年代末问世以来,许多电脑横机控制系统不断升级.
本文是在了解电脑横机编织原理的基础上,结合编织工艺要求,对电脑横机的网络远程控制系统进行分析,从而搭建了远程控制系统的硬件平台.该硬件平台是在ZigBee的支持下,实现电脑横机各个监测点与中心节点之间的通讯传递功能.
1.系统硬件总体设计方案
无线传感器网络节点的硬件主要包括处理器模块、无线通信模块、传感器模块和电源模块.其中处理器模块和无线通信模块采用CC2430芯片,该芯片能够简化射频电路的设计；传感器模块采用的是电感式接近传感器；电源模块采用3V纽扣电池.在无线监测远程控制系统中,ZigBee终端节点的硬件设计主要实现终端数据的采集和发送信息到路由器节点的传输.而终端节点和终端节点之间是不能直接进行通信协议的,必须通过路由器来传输信息.同样如此,每一个ZigBee终端节点与其它ZigBee终端节点之间的通信需要进行路由请求操作,这个操作的过程全部由该终端设备的父节点来完成.
2.信号采集模块设计
2.1CC2430芯片
在该系统设计中,处理器选用的是德州仪器公司的CC2430处理器,该芯片内部选用的是以晶体振荡器为32MHz的、达16MHz的RC振荡器的振荡源.CC2430芯片的主要优点有：优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；高性能和低功耗的8051微控制器核；较宽的电压范围（2.0～3.6V）；在休眠模式时仅0.9μA的流耗,外部的中断或RTC能唤醒系统；集成了14位模数转换的ADC；具有电池监测和温度感测功能.
CC2430内部大部分是集成电路,它的外接元件很少,运行步骤简便顺利.CC2430芯片的电路包括晶振时钟电路和射频输入/输出匹配电路.因此它采用较少的电路就能实现收发信号的功能.
CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封装方式,CC2430可编程的I/O端口线有21个引脚,其中P0、P1的8位口均可以使用,而P2口只有5个位能使用.I/O口的特点是在输入时有上拉和下拉能力；既能设置成一般的I/O口,也能作为I/O口使用；所有的21个I/O口引脚都具备响应外部中断能力.
无线监测监控网络系统所采用的是CC2430芯片所支持的14位模拟/数字转换模式.在无线监测监控网络系统中,终端数据是模拟量,在终端设备模块进行通信前要进行A/D转换.我们设计的A/D转换电路需要满足CC2430模块的硬件要求.
2.2传感器件设计
设计所采用的是电感式接近开关J12-D4NK,安装在电脑横机导纱器纱线入口处方便检测断线时振动信息.
当电脑横机导纱器上的金属目标接近振荡器所产生的磁场时,感应距离达到一定范围内,金属目标产生的涡流而后振荡衰减以至于停止振动.对于电感式接近传感器,在安装时要注意一些问题：
（1）为了避免电压和温度的变化导致传感器失灵,应将传感器的工作距离控制在预定距离的三分之二以内.
（2）传感器的引线在布线时要避开一些电力线,防止传感器发生错误动作
（3）安装时应该用线卡固定在传感器离引线10cm的地方,避免距离太近导致手误碰引线而破坏传感器.
3.电源模块设计
由于系统是以无线低功耗方式工作,所以安装需要简单,能够灵活使用,可移动.因此不能采用交流电源供电,而选用电池供电.经测试,在3V电压下系统可以正常工作,因为CC2430有效电压范围2.0—3.6V；但是电压下降会导致温度出现偏差.为了保证系统的稳定性,我们选用2节5号电池串联获得3V电压,接着DC/DC升压芯片升至3.3V,使整个系统正常运行.
如果考虑到其它电源的供电特性,那么在满足要求的前提下,还要设计出给其它硬件预留5V左右的接口.在网络形式工作状态下,电源模块提供能源给每一个模块并进行相关功耗管理.本设计中采用2节3V电池进行供电,并提供给标准直流DC3V供电接口.
4.RS-232串口模块设计
实现相互串行通信,中心节点模块采用RS与上位机相连.上位机发送命令的同时,RS-232串口数据通过MAX232,将电平转换为TTL电平,转换了之后CC2430无线模块再将处理了的数据发送出去.接收数据就是发送数据的反过程,首先CC2430射频模块接收到数据信号；其次通过MAX232TTL,电平转换为RS-232的标准电平,最后通过RS-232将输入数据传送到上位机.
5.人机模块设计
该系统选用12864点阵式液晶显示器件,而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字,还可以显示各种图形、曲线及汉字,并且可以实现屏幕上下左右滚动,动画功能,分区开窗口,反转,闪烁等功能,用途十分广泛.
根据本系统的实际需求,本系统的键盘共设置了四个按键,而且采用了每个按键接一根输入线的方式.四个按键的具体作用如下：切换键用于各个参数之间的切换；增加键用于某个参数值数值的增加；确定键用于某个参数设定完成后的确定；设置键用于参数设定.
6.硬件抗干扰设计
电脑横机现场生产环境复杂并存在着强电磁场干扰,所以我们需要设计电磁屏蔽装置.最有效的办法是将模块放在一个铝质外壳里面,通过RS-232接口,上位机外壳与该铝质外壳链接.
印刷电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体,设计合理将对抗干扰能力起到巨大影响.因此,在电路板设计时,还必须符合抗干扰的原则.印刷电路板按单点按电源、单点按地原则送电；单面板、双面板,电源线、地线要尽量地粗；关键的线尽量短并且要尽量粗,并在两边加上保护地；闲置不用的门电路输入端不悬空.