基于C8051F和Zigbee無線網絡的汽車測試系統設計
李聯輝 郭志軍 李忠利
來源：電子設計工程
摘要： 汽車試驗是發現汽車設計開發中各種問題的重要手段，依據試驗結果能對汽車各種性能做出客觀的評價。作為汽車工業的基礎工程之一，汽車試驗在汽車工業的整體發展中發揮了重要作用。汽車性能測試系統是汽車試驗工程的關鍵組成部分，它是由若干相互聯系、相互作用的傳感器和儀器設備等元件，為實現對汽車各項性能的測試而組成的有機整體，汽車測試系統的性能往往對整個汽車試驗的效用產生重要影響。
Abstract：
Key words :
汽車試驗是發現汽車設計開發中各種問題的重要手段，依據試驗結果能對汽車各種性能做出客觀的評價。作為汽車工業的基礎工程之一，汽車試驗在汽車工業的整體發展中發揮了重要作用。汽車性能測試系統是汽車試驗工程的關鍵組成部分，它是由若干相互聯系、相互作用的傳感器和儀器設備等元件，為實現對汽車各項性能的測試而組成的有機整體，汽車測試系統的性能往往對整個汽車試驗的效用產生重要影響?，F有的汽車測試系統多采用有線連接，該方式存在2個弊端：1)汽車試驗需在大型專用試驗場或典型地域等惡劣環境中進行，現場布線任務繁瑣且易出錯；2)一些汽車試驗如蛇形試驗具有高危險性，對能夠減少試驗損失的測試系統更為重要。該系統以Cygnal公司的C8051F020單片機為控制核心，基于ZigBee無線網絡技術設計例如多通道數據綜合采集系統，它利用較少的外圍器件實現汽車試驗中性能參數的測試，縮短了現場布線時間，提高了試驗效率，且在試驗事故發生時減少事故損失。
1 系統總體結構設計
汽車試驗主要包括動力性能、燃油經濟性、操縱穩定性和排放特性等測試項目，主要性能參數有速度、加速度、燃油消耗量、溫度以及操縱穩定性試驗中的動態運動參數等，通過傳感器得到的這些參數的測試信號，經過前端處理模塊處理(整形、濾波、放大等)后送入C805l-F020微處理器中，在單片機內部進行模數轉換和數據處理后通過串口實現與Zigbee終端節點的連接，再由終端節點在WLAN中將數據發出，Zi-gbee中心節點接收到數據后經串口與上位機進行通訊。中心節點也可將上位機的命令發送給終端節點，控制終端節點執行。系統總體結構框圖如圖1所示。
2 系統硬件設計
2．1 前端處理模塊
傳感器將各種常見的非電量信號轉換為電量信號，一般都較微弱，前端處理模塊將這些信號進行處理后送至單片機的A／D轉換端口。本系統共有8路傳感器信號，包括2路壓變傳感器信號、2路-5～+5 V電壓信號、2路4～20 mA電流信號和2路熱電偶信號的前端處理。其中壓變傳感器信號和熱電偶信號前端處理硬件電路分別如圖2和圖3所示。
AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需1個外部電阻設置增益，增益范圍為l～10 000。對壓變傳感器信號的前端處理采用AD62-0、AD705組成的放大電路，該部分采用單電源供電，AD705是電壓跟隨器，為AD620提供輸出電壓的零點。將VREF、AGND送至MCU的8位精度AD-Cl的AINl．0、AINl．1端口，利用軟件程序實現該路信號的參考電壓和模擬地的計算。
熱電偶傳感器用來測量汽車關鍵部件溫度，其前端處理電路采用OP07的可調增益放大電路。OP07是一種低噪聲、非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調電壓，低失調、高開環增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等。在對精確度要求不高的場合，OP07的失調電壓可忽略，該電路中R25和R24用來調整系統放大倍數，在選用不同類別的熱電偶時可適當調整兩者的阻值。
2．2 C8051F020模塊
C805lF020是Cygnal公司的一種混合信號SOC型8位單片機，它是完全集成的混合信號系統級MCU器件，具有64個數字I／O引腳。該單片機采用高速805l微控制器內核，速度可達25 MI／s，具有8個I／O口，5個通用定時器，5個捕捉／比較模塊及專用看門狗定時器，可同時使用SM-Bus，SPI及2個UART串口，內置64 kB高速存儲器。模擬外設方面，器件具有1個12位A／D轉換器，1個8位A／D轉換器，2個12位D／A轉換器及2個模擬比較器。器件內部的這些數字和模擬外設使系統的設計更簡單，集成度更高。
本模塊主要設計C8051F020的復位電路、外接晶振電路和接地處理，并將所有引腳引出，以便擴展應用。系統需要高速運行才能及時、有效地進行數據采集，所以單片機在一般情況下采用內部振蕩器作為時鐘源。但由于內部時鐘的誤差太大，在串口通訊的過程中，要選用外部時鐘，通過軟件設置可以實現內外時鐘的切換。在電源處通過去耦電容接到模擬地上，可以減少干擾回路的面積，降低電磁干擾輻射，可以把數字電流引起的干擾耦合到地，而不在外部電路的地中出現。為了使電容耦合最小，兩者沒有交迭，2個獨立的地在電源的公共“星”型地處通過瓷珠接到一起，電源處也采用類似處理以防止干擾。
2．3 ZigBee節點模塊
本文研究的汽車測試系統初步采用2個終端節點和1個中心協調器組成星狀網的拓撲結構，3個節點均選用SZ05-ADV型無線收發模塊，Zig-bee終端節點和中心節點通過標準串口分別與C8051F020模塊和PC設備相連接，實現數據的無線傳輸。SZ05-ADV是高性能嵌入式無線收發模塊，其核心器件是Freescale公司的MCl3213。它是第2代標準ZigBee無線通信平臺，在9mmx9 mmxl mm 7l引腳LGA封裝中集成有低功耗的2．4 GHz RF收發器和8位微控制器，MCl3213器件具有60 kB的閃存，MCl32lx解決方案能在簡單的點對點連接到完整的ZigBee網狀網絡中用作無線連接，小占位面積封裝中的無線電收發器和微控制器的組合使其成為成本效益的解決方案，MCl321x中的RF收發器工作在2．4 GHzISM頻段，和802．15．4標準兼容，收發器包括低噪音放大器，1 mW的RF輸出功率，帶VCO的功率放大器(PA)，集成的發送／接收開關，板內的電源穩壓器以及完全的擴展頻譜的編碼和譯碼，MCl32lx中的微控制器基于HCS08系列微控制器單元(MCU)，HCS08 A版本，高達60 kB的閃存和4 kB的RAM。
熱電偶傳感器用來測量汽車關鍵部件溫度，其前端處理電路采用OP07的可調增益放大電路。OP07是一種低噪聲、非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調電壓，低失調、高開環增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等。在對精確度要求不高的場合，OP07的失調電壓可忽略，該電路中R25和R24用來調整系統放大倍數，在選用不同類別的熱電偶時可適當調整兩者的阻值。
2．2 C8051F020模塊
C805lF020是Cygnal公司的一種混合信號SOC型8位單片機，它是完全集成的混合信號系統級MCU器件，具有64個數字I／O引腳。該單片機采用高速805l微控制器內核，速度可達25 MI／s，具有8個I／O口，5個通用定時器，5個捕捉／比較模塊及專用看門狗定時器，可同時使用SM-Bus，SPI及2個UART串口，內置64 kB高速存儲器。模擬外設方面，器件具有1個12位A／D轉換器，1個8位A／D轉換器，2個12位D／A轉換器及2個模擬比較器。器件內部的這些數字和模擬外設使系統的設計更簡單，集成度更高。
本模塊主要設計C8051F020的復位電路、外接晶振電路和接地處理，并將所有引腳引出，以便擴展應用。系統需要高速運行才能及時、有效地進行數據采集，所以單片機在一般情況下采用內部振蕩器作為時鐘源。但由于內部時鐘的誤差太大，在串口通訊的過程中，要選用外部時鐘，通過軟件設置可以實現內外時鐘的切換。在電源處通過去耦電容接到模擬地上，可以減少干擾回路的面積，降低電磁干擾輻射，可以把數字電流引起的干擾耦合到地，而不在外部電路的地中出現。為了使電容耦合最小，兩者沒有交迭，2個獨立的地在電源的公共“星”型地處通過瓷珠接到一起，電源處也采用類似處理以防止干擾。
2．3 ZigBee節點模塊
本文研究的汽車測試系統初步采用2個終端節點和1個中心協調器組成星狀網的拓撲結構，3個節點均選用SZ05-ADV型無線收發模塊，Zig-bee終端節點和中心節點通過標準串口分別與C8051F020模塊和PC設備相連接，實現數據的無線傳輸。SZ05-ADV是高性能嵌入式無線收發模塊，其核心器件是Freescale公司的MCl3213。它是第2代標準ZigBee無線通信平臺，在9mmx9 mmxl mm 7l引腳LGA封裝中集成有低功耗的2．4 GHz RF收發器和8位微控制器，MCl3213器件具有60 kB的閃存，MCl32lx解決方案能在簡單的點對點連接到完整的ZigBee網狀網絡中用作無線連接，小占位面積封裝中的無線電收發器和微控制器的組合使其成為成本效益的解決方案，MCl321x中的RF收發器工作在2．4 GHzISM頻段，和802．15．4標準兼容，收發器包括低噪音放大器，1 mW的RF輸出功率，帶VCO的功率放大器(PA)，集成的發送／接收開關，板內的電源穩壓器以及完全的擴展頻譜的編碼和譯碼，MCl32lx中的微控制器基于HCS08系列微控制器單元(MCU)，HCS08 A版本，高達60 kB的閃存和4 kB的RAM。
SZ05-ADV嵌入式無線通信模塊集成有符合ZIGBEE協議標準的射頻收發器和微處理器，其數據接口包括：TTL電平收發接口、標準串口RS2-32數據接口，可以實現數據的廣播方式發送和目標地址發送模式。除可實現一般的點對點數據通信功能外，還可實現多點之間的數據通訊。其模塊連接電路如圖4所示。DATA、RUN、NET、ALARM為SZ05-ADV無線通信模塊的4個工作狀態指示端口，分別是數據收發、系統運行、網絡狀態和告警。SLEEP引腳用來控制系統進入低功耗狀態，低電平進入低功耗，高電平或懸空正常運行。
485CTL引腳是485收發控制，模塊485接收時低電平輸出，發送時高電平輸出。CENTER、DEVICE引腳是節點功能配置接口，均為低電平有效，或分別與引腳TIao7、tiao8接跳線帽實現，如這2個引腳都為高電平或懸空則為路由節點。CONFIG引腳是配置接口，低電平有效，或加跳線帽，可在超級終端中進入系統配置狀態。模塊標準工作電壓為DC-5V，正常工作電壓范圍為5～12V。數據接口有RS-232和TTL收發2種接口模式。RS-232串口為TX2、RX2、SGND三線工作模式，TTL為TX1、RXl兩線工作模式，TTL電平為3．3V。RESET進入低電平狀態3s，系統進入配置狀態，高電平或懸空狀態則進入工作狀態。
無線通信網絡節點按功能可分為中心協調器、路由器和終端節點，中心協調器是網絡的中心節點，負責網絡的發起組織、網絡維護和管理功能；路由器負責數據的路由中繼轉發，終端節點只進行本節點數據的發送。在該系統中，可以預先在計算機超級終端中對無線模塊進行節點類別、節點名稱和地址、無線頻點、網絡ID、波特率和數據類型的配置，配置正確后在上電時可以自動組成網絡。
3 軟件設計
系統程序開發采用C805lF系列單片機的專用集成開發環境Silicon Laboratories IDE，配置使用Keil
C5l的匯編器、鏈接器和編譯器。利用C5l開發程序有利于系統程序的模塊化以及增加其可移植性，并能降低開發周期。系統軟件由主程序和A／D轉換、數據處理和通信這3個子程序組成，其中主程序部分包括系統初始化、調用A／D轉換、數據處理、串口發送等子程序。初始化部分包括：看門狗模塊初始設置、系統時鐘及復位源的設置、I／O端口初始化、串行通信接口初始化、A／D轉換的初始化及定時器初始化等。ADC0的最高轉換速度為。100 ks／-s，其轉換時鐘來源于系統時鐘分頻，分頻值保持在寄存器ADCOCF的ADCSC位。在該片上系統中需要采集8個通道，將采樣頻率設置為50 000次／s。選用的ADCO轉換啟動方式為定時器3溢出(即定時的連續轉換)方式。
4 試驗
在Silicon Laboratories IDE中將程序通過U-EC2專用編程器燒寫入C805117020后，將各個模塊連接進行調試，如圖5所示。8路傳感器信號(包括2路壓變傳感器，2路 -5～+5 V信號，2路4～20 mA信號和2路熱電偶信號)經前端處理后送至MCU，經A／D轉換和數據處理后通過串口輸出到Zigbee終端節點并在無線網絡中按目的地址模式或廣播模式發送，Zigbee中心協調器與上位機通過標準RS232串口連接，可以在超級終端或串口調試器中查看收到的數據。本研究側重于實驗開發，電源模塊可采用將常見的220 V轉雙9 V變壓器，經整流橋后，由LM7805、LM7905穩壓輸出-5 V和+5 V的結構(3．3 V電壓可由AMSlll7模塊轉換后得到)，實際應用中可設計專門的電源模塊以方便使用。試驗結果表明，系統可以實現2個終端節點的各自8路傳感器數據采樣，Zigbee無線網絡運行正常，在超級終端中可以看到試驗的實時數據。
5 結束語
本文設計的基于C805lF020和Zigbee無線網絡的汽車測試系統實現了汽車試驗中數據的無線傳輸，從而簡化了試驗現場布線，提高了試驗效率，一旦試驗事故發生，損失也大大減少，實驗證明了該系統取代傳統汽車測試系統的可行性，同時系統的擴展也比較容易，可以實現更多功能。本研究側重于Zigbee
無線網絡的應用開發，可為Zigbee技術在傳感器網絡中的應用提供一定的參考，但局限于軟件程序系統和試驗的電磁干擾，該系統的同步機制和抗干擾性能有待于進一步研究。
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