论文研究-基于ZigBee技术的矿难救援机器人通信系统的终端节点设计 .pdf

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基于ZigBee技术的矿难救援机器人通信系统的终端节点设计,刘鹏,康栋梁,基于新兴的ZigBee无线通信技术,设计了矿难救援机器人通信系统中的终端节点。本通信系统采用了分布节点式无线通信方式,利用ATmel公�
国科技论文在线 ttp:/www.paper.edu.cn NecHO ATMNG416Y 图3 ATmegal68工作模块 Fig 3 ATmegal68 Working module 收发模块 CC2430芯片是 Chipcon公司生产的首款符合 ZigBee技术的24GHz射频系统单芯片 适用于各种 Zigbee或类似 Zigbee的无线网络节点,包括调谐器、路由器和终端设备。CC2430 片延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了 ZigBee射频(R)前端、内存和 微控制器。它使用1个8位MCU(8051),只有128KB可编程闪存和8KB的RAM,还包含 模拟数字转换器(ADC)、几个定时器( Timer)、AFS-128协同处坦器、看门狗定时器 ( Watchdog- timer)、32kHz晶振的休眠模式定时器、卜电复位电路( Power- On-Reset)、掉电检 测电路( Brown-out-detection),以及21个可编程I/O引脚。 CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发玏能。如图4所小:电路使 用一个非平衡天线,连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容 C51和电感L51、L52、L53以及一个PCB微波传输线组成,整个结构满足RF输入/输出 匹配电阻(502)的要求。内部T/R交换电路完成INA和PA之问的交换。R1和R2为偏置 电阻,电阻R2主要用火为32MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32MHz的石英 谐振器(Y2)和2个电容(C3和C4构成一个32MIz的晶振电路。用1个32.768kHz的石英 谐振器(Y1)和2个电容(CI和C2)构成一个32.768kHz的晶振电路。电压调节器为所有要求 3.3ⅴ电压的引脚和内部电源供电。C5和〔6电容是去耦合电容,用来电源滤波,以提高芯 片工作的稳定性。 图4CC2430收发模块 Fig.4CC2430 Receive Send Module 3 国科技论文在线 ttp:/www.paper.edu.cn 总线通信模块 CAN总线是德国 BOSCH公司80年代开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主机 总线,通信速率可达1Mbps。由于CAN总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计,适 合工业设备内的模块间数据互连。因此在机器人内部各模块(通信模块、主控制模块、 运动控制模块、导航模块、环境监测模块等)之冋改计米用CAN总线通信。通信模块中的 控制器通过CAN总线接口及时地与主控制模块进行数据通信。 CAN总线接∏模块电路如图5所示:MCP2515是款独立控制器局域网终的协议控制 器,完全支持CANV2.0B技术规范。该器件能发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧 MCP2515自带的验收屏蔽寄存器和验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文,因此减少了 MCU的开销。MCP2515与MCU的连接是通过业界标准串行外设—SPI总线来实现的。 井下环境中有各种干扰,所以对通信实行隔离措施是必不可少的环节。 Admi201是 ADI公司推出的一款最高速率可以达到25Mbps的高性能低功耗的数字隔离芯片,广泛地应 用于CAN总线通信的隔离设计上。 MCP2551是 Microchip公司生产的一款与MCP2515CAN控制器相配合的CAN总线收 发器,支持16K以上的波特率。设计中使用MCP2551和MCP2515相配合来实现稳定的CAN 总线通信 图5CAN总线接口电路图 Fig 5 CAN BUS Interface Circuit Diagram 存储模块 存储模块采用 Almel公司的基」I2C串行总线的24C128芯片。该芯片采用微型SO8N 型封装,封装外壳宽度仅为3.8mm,内置串行总线,是保存经常变动的参数以及大容量数据 的最佳选择,存储密度较大。24C256支持100Khz和400KHz的时钟工作频率,全面兼容2C 规范,⊥.8V~5.5V的宽工作电源电压,16Kb*8的存储结构,支持字节和页两种读写模式, 操作速度极快。数据保存能力超过30年,耐擦写能力不低于100万次。该芯片的应用电路 如图6所示 8 k 4k 图6存储模块 Fig 6 Storagc Module 4 国科技论文在线 ttp:/www.paper.edu.cn 终端节点软件设计 系统采用C话言进行程序设计,大大提高了开发调试工作的效率,同时程序也便于理 解和修改,为后续的改进更新工作提供便利。 软件程序流程图如图7所小,终端节点上电后将首先进行一系列设备初始化工作。利用 CC2430发送加入网络信号,若基站节点收到请求信号并予以回应,则加入网络成功;否则, 终端节点将向机器人的主控制器模块汇报加入网络失败,并继续发送加入网络信号。加入网 络成功后,程序采用轮询方式査看是否收到基站节点指令或者主控制器椟块指令,若收到指 令,终端节点将进行初步信息处理,并及时发送。 如指今 传运指 发送加入网络信号 主控制器汎报 闲 加入网络是否成功 一接收到基站节点、、B「北处用 的指令 耳站令 向主控制器 传送指令 图7主程序流程图 Fig 7 Main program Flow diagram 总结 本设计结合了煤矿廾下的实际环境及 Zig Bco技术的发展现状,应用低功耗微处理器 ATmegal68及无线通信芯片CC2430设计了矿难救援机器人通信系统中的终端节点,该节 点可以通过网络中的路由节点的路由作用与基站节点实现通信,进而实现了机器人与地面救 援中心的相互通信。 ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗的无线网终技术,随着 其进一步的发展,必将成为煤矿井下通信中最理想的方案。 参考文献 「1徐瑞娜,胡方明,仁爱锋.zigBεe无线传感器网络在远程环境监测中的应用设讣「∏.电子元器件应 用2010(12):1~2 [2]李文仲,段朝玉. ZigBee无线网络入门与实战[M.北京:北京航空航天大学出版社,2003 [3]江海波,王卓然,耿德根.深入浅出AVR单片机[M.北京:中国电力出版社,2008 [4]李飞,郑郁正.单片机原理与应用[M.西安:西安电子科技人学出版社,2007 [5]饶运涛,郑勇芸.现场CAN总线原理与应用技术[M.北京:北京航空航天大学出版社,2003 [6]杜尚丰,曹晓钟,徐津.CAN总线测控技术及其应用[M].北京:电子工业出版社,2007.

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