引 言

航空電連接器玻璃粉末CNC壓機(jī)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上采用先進(jìn)的智能數(shù)控技術(shù)，配備高精度閉環(huán)控制伺服液壓系統(tǒng)、可控模沖模架和智能機(jī)械手系統(tǒng)，建立集成各種精確測(cè)量傳感器、輔助設(shè)備的計(jì)算機(jī)壓制控制中心，確保生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量精確控制，提高壓制產(chǎn)品的尺寸、形狀和位置精度，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)系統(tǒng)和自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)的連通。可靠、有效傳輸傳感器數(shù)據(jù)是壓機(jī)控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的前提，針對(duì)壓機(jī)傳感器數(shù)量多、種類(lèi)多、傳感器數(shù)據(jù)與生產(chǎn)線其他設(shè)備共享的生產(chǎn)現(xiàn)狀， CNC壓機(jī)系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，提高數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、快捷傳輸和其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是 CNC壓機(jī)系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)順利工作的關(guān)鍵。

無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)組成

CNC 壓機(jī)系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本組成部分是由大量的節(jié)點(diǎn)和少數(shù)的網(wǎng)關(guān)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)壓機(jī)及外圍輔助設(shè)備工作過(guò)程中的數(shù)據(jù)的采集、處理及傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在所需測(cè)量的各個(gè)設(shè)備組件中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以采集數(shù)據(jù)，并采用自組多跳路由無(wú)線方式將信息傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一類(lèi)特殊的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)的作用主要負(fù)責(zé)在兩個(gè)不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換。傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺(tái)。

CNC 壓機(jī)的無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要應(yīng)用于壓機(jī)本身的生產(chǎn)控制和生產(chǎn)線上其他設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，所需節(jié)點(diǎn)有功耗低、成本低、體積小等限制條件，設(shè)計(jì)采用基于射頻芯片CC2420 和處理器ATMEGA128L 為核心的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點(diǎn)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的組成如圖 1 所示。

1.2 網(wǎng)關(guān)硬件模塊組成

無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，一般由無(wú)線通信模塊、處理器模塊、傳感器模塊和電源模塊組成，網(wǎng)關(guān)硬件連接如圖 2 所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)有較強(qiáng)的信息處理能力和存儲(chǔ)能力，對(duì)目標(biāo)地點(diǎn)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的采集、處理，并把收集到的信息轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)具有串行接口，通過(guò)這些接口實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連接。

無(wú)線網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信模塊接收其他節(jié)點(diǎn)經(jīng)無(wú)線方式發(fā)射的數(shù)據(jù)，然后傳送給處理器作進(jìn)一步處理，數(shù)據(jù)在處理器單元得到處理后，經(jīng)過(guò)部分?jǐn)?shù)據(jù)的融合、轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)數(shù)據(jù)的管理、查詢等功能。數(shù)據(jù)處理完畢后，通過(guò)串行接口RS 232 將數(shù)據(jù)傳送至壓機(jī)CNC 控制中心或其他系統(tǒng)設(shè)備。

1.3 網(wǎng)關(guān)硬件的選型

無(wú)線通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊是網(wǎng)關(guān)的核心組成部分， 對(duì)硬件的選型主要是對(duì)射頻芯片以及微處理器的選擇。射頻芯片的性能要滿足ZigBee 協(xié)議對(duì)硬件的要求。對(duì)微處理器的選擇還要從器件的體積、功能、外部接口、存儲(chǔ)容量、速率、成本、功耗等各方面是否滿足壓機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行比較，對(duì)射頻芯片的選擇從器件的功能、能耗、封裝大小、應(yīng)用電壓等各方面來(lái)進(jìn)行考慮。

(1) 微處理器選型。壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)在實(shí)際使用時(shí)采用TinyOS操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要采集位移、壓力、電壓、流量、溫度等設(shè)備運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)信息，相應(yīng)地網(wǎng)關(guān)也需要轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的繁雜數(shù)據(jù)信息給上位機(jī)，同時(shí)為避免系統(tǒng)升級(jí)而更換硬件帶來(lái)的不便， 節(jié)點(diǎn)預(yù)留了部分存儲(chǔ)空間。在綜合比較分析了各項(xiàng)指標(biāo)后，選擇了Atmel公司生產(chǎn)的ATMEGAL28L，它擁有更大的容量， 功能眾多的I/O 接口以及較低的價(jià)格，且 6種低功耗睡眠模式滿足ZigBee協(xié)議對(duì)硬件的要求。

(2) 射頻芯片選型。壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)采用ZigBee協(xié)議，因此對(duì)射頻芯片的選擇必須符合IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議。常見(jiàn)的有美國(guó) Ember公司的 EM2420、ComXs公司的ML7065、挪威Chipcon 公司的 CC2420等。射頻芯片的選擇主要是從芯片功能、能耗、封裝大小、通信距離、芯片工作時(shí)所需外圍器件的多少，是否支持小電壓工作，睡眠電流以及資料是否詳實(shí)等各方面來(lái)進(jìn)行綜合考慮。通過(guò)綜合比較，選擇CC2420芯片作為網(wǎng)關(guān)的射頻芯片。

1.4 網(wǎng)關(guān)接入上位機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)在壓機(jī)系統(tǒng)實(shí)際工作的需要，設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)主要由數(shù)據(jù)處理、無(wú)線收發(fā)和電源三個(gè)單元組成。網(wǎng)關(guān)除了提供給傳感器節(jié)點(diǎn)接入Internet 的接口、運(yùn)算、存儲(chǔ)、電源等基本的嵌入式系統(tǒng)模塊之外，它還需配備與傳感器節(jié)點(diǎn)配套的各個(gè)通信接口。網(wǎng)關(guān)的硬件圖如圖 3 所示。

1.5 無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)

(1) 網(wǎng)關(guān)處理器電路圖設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)以 ATMEGAL28L處理器為核心，同時(shí)配備了512KFlash存儲(chǔ)器，支持外部中斷， 有強(qiáng)大的同步/異步串行通信接口，支持SPI通信。射頻模塊采用Chipcon 的 CC2420實(shí)現(xiàn)，該芯片支持IEEE802.15.4物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，工作于 2.4GHz頻段，最大數(shù)據(jù)達(dá)250b/s。采用RS232串行接口，配置 MAX232電平轉(zhuǎn)換單元。壓機(jī)系統(tǒng)的ATMEGAL28L以及它的外圍電路圖如圖 4所示。

(2) 電平轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)。ATMEGAL28L通過(guò)普通I/O 口與PC機(jī) RS232串口實(shí)現(xiàn)通信的硬件接口電路如圖 5所示。由于PC系列微機(jī)串行口為RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，與輸入、輸出均采用 TTL 電平的 ATMEGAL28L 在接口規(guī)范上不一致，RS 232 信號(hào)的電平范圍為－12 V ～－ 5 V，5 V ～ 12 V，單片機(jī) 串口信號(hào)為 0 V ～ 3 V，因此需要采用電平轉(zhuǎn)換器件。系統(tǒng)采 用 MAXIM 公司的 MAX232 標(biāo)準(zhǔn) RS 232 接口芯片，該芯片可 以用單電壓（+5 V）實(shí)現(xiàn) RS 232 接口邏輯“1”（－3 V ～－15 V） 和邏輯“0”（+3 V ～ 15 V）的電平轉(zhuǎn)換。

1.6 射頻模塊初始化

CC2420進(jìn)行無(wú)線通信前需進(jìn)行初始化，初始化分為對(duì)ATMEGAL28L的有關(guān)端口進(jìn)行初始化，對(duì) CC2420相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化及對(duì)無(wú)線通信進(jìn)行初始化三部分。對(duì)端口初始化包括對(duì)ATMEGAL28L 的SPI 端口進(jìn)行初始化，并將VREG_ EN 管腳輸出高電平打開(kāi) CC2420 的電壓調(diào)整器，RESET_N 管腳置低電平激勵(lì) RF_RESET_ 復(fù)位CC2420。CC2420 在復(fù)位時(shí)對(duì)各寄存器均進(jìn)行默認(rèn)的初始化，CC2420 的初始化流程圖如圖 6 所示。

CC2420 發(fā) 送 子 程 序。 在 初 始 化 程 序 中，CC2420 MDMCTRL1.TX_MODE 置位，初始化后，節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，首先判斷 SFD 引腳和FIFOP 腳的狀態(tài)，當(dāng)CC2420 發(fā)送接收空閑時(shí)，清空 TXFIFO 發(fā)送緩存區(qū)并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包以 IEEE 802.15.4 MAC 層數(shù)據(jù)幀格式依次寫(xiě)入，若 RSSI 有效且STXONCCA 信道估計(jì)顯示信道空閑，則寫(xiě)命令選通寄存器 STXONCCA 使能發(fā)送功能，發(fā)送數(shù)據(jù)包。圖 7 所示為CC2420 發(fā)送程序流程圖。

CC2420 接 收 子 程 序。 在 初 始 化 程 序 中，CC2420 MDMCTRL1.RX_MODE 置 位，CC2420 接 收 工 作 在 RXFIFO 緩沖工作模式。MDMCTRL0.ADR_DECODE 設(shè)置為 1， CC2420 啟動(dòng)硬件自動(dòng)地址識(shí)別，在接收時(shí)，CC2420 將自動(dòng)識(shí)別源地址和目標(biāo)地址。IOCFG0.BCN_ACCEPT 設(shè)置為 0， CC2420 只接收匹配 PAN ID 標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀。MDMCTRL0. AUTOCRC 置位，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)在最后一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后自動(dòng)發(fā)送16 位校驗(yàn)碼，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在接收時(shí)自動(dòng)計(jì)算幀的CRC 校驗(yàn) ；當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收到完整的數(shù)據(jù)包后，在 12 個(gè)信號(hào)周期內(nèi)自動(dòng)向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)成功接收的確認(rèn)幀。圖 8 所示為CC2420 接收程序流程圖。

2 結(jié) 語(yǔ)

玻璃粉末CNC 壓機(jī)系統(tǒng)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)技術(shù)，把CNC 壓機(jī)的各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)和壓機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)連接， 提高傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確性和便捷性，同時(shí)傳感器獲得數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式傳輸?shù)缴a(chǎn)線其他配套設(shè)備中， 為生產(chǎn)線其他設(shè)備的平穩(wěn)、安全運(yùn)行提供了參考數(shù)據(jù)。