【文章內容簡介】 無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計6 無線通信Zigbee 是基于 標準的低功耗廣域網協(xié)議。ZigBee 技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee 協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層 (NWK)、應用層(APL) 等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循 標準的規(guī)定。ZigBee 模塊以其工業(yè)級應用設計、穩(wěn)定可靠、標準易用、功能強大等突出特點，在通信市場發(fā)展迅猛，已廣泛應用于物聯(lián)網產業(yè)鏈中的 M2M 行業(yè)，如智能電網、智能交通、移動 POS 終端、工業(yè)自動化、供應鏈自動化、智能建筑、公共安全、環(huán)境保護、遙感勘測、農業(yè)、煤礦、石化等領域。本文所采用 ZigBee 模塊是基于 ZigBee2022 協(xié)議，可視傳輸距離可達 1600 米的ZigBee 技術應用，該模塊具有自動組網的功能，所有的模塊上電即自動組網。Zigbee網絡通常由三種節(jié)點構成：Coordinator：用來創(chuàng)建一個 Zigbee 網絡，并為初次加入網絡的節(jié)點分配地址，每個 Zigbee 網絡需要且只需要一個 Coordinator；Router：可以收發(fā)數據，起到路由的作用；End Device：終端節(jié)點，通常定義為電池供電的低功耗設備。本文中配置振動識別端 ZigBee 模塊為 Router，用來為下位機收發(fā)數據；上位機端ZigBee 模塊為 Coordinator，作為組網的主機；當全部上電，Coordinator 自動將所在范圍內所有 Router 組網并分配地址。組網完成后，ZigBee 模塊間實行透明傳輸數據方式。ZigBee 模塊參數如下：輸入電壓范圍：，標準電壓 ；串口速率可設置 9600bps，19200bps，38400bps，57600bps ，115200bps ；無線頻率：(2460MHz)；傳輸距離：可視，開闊，傳輸距離 1600 米；工作電流：發(fā)射：120mA（最大） ，80MA（平均） ，接收：45mA（最大） ，待機：40MA（最大）；接口：UART 。 電源轉換模塊從圖 系統(tǒng)硬件設計結構框架中，我們可以看到，本系統(tǒng)需要的電源種類多，因此為了使用方便，在硬件電路中，我們設計了多種電源轉換模塊，其中涉及到總輸入電源轉換，直流 5V 轉 24V，直流 5V 轉177。12V，直流 5V 轉177。5V ，直流 5V 轉 ，直流 5V 轉 。在本設計中用 IA_S2W 系列 DCDC 轉換器實現直流 5V 轉24V、177。12V 和177。5V；用 AS1117 低壓差的線性穩(wěn)壓器實現直流 5V 轉 ，用基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計7MC1403 實現直流 5V 轉 。以下為各轉換模塊的簡介。IAS2W 系列 DCDC 轉換器采用厚膜電路、高效的穩(wěn)壓芯片、陶瓷電容，全 SMT加工工藝，性能優(yōu)良，穩(wěn)定可靠。電磁兼容性良好，輸出文波及噪聲小，適用于供電電源穩(wěn)定的電路。如圖 所示為 IAS2W 系列引腳圖。 Vin1GND2+o09IA5SWU4圖 IAS2W 引腳圖AS1117 低壓差線性穩(wěn)壓器，能提供多種固定電壓版本，輸出電壓有，，5V。外圍應用電路簡單，固定電壓版本只需要輸入輸出兩個電容和負載。芯片內部包括啟動電路，偏置電路，電壓基準源電路，過熱保護，過流保護，功率管極其驅動電路等。本文選擇 輸出版本供微處理器芯片使用。其引腳排列圖如圖 所示。M a r kS O T 2 2 31 2 3圖 AS1117 引腳排列圖AS1117 固定版本典型應用如圖 所示。A S 1 1 1 7V i nV o u tG N D / A D JC 1C 2R l o a d圖 AS1117 固定版本典型應用圖MC1403 是美國摩 托羅拉公司生產的高準確度、低溫漂、采用激光修正的帶隙基準電壓源。它采用 DIP－8 封裝，引腳排列如圖 所示。Vin＝＋～＋15V，Vout＝（典型值），為了配 8P 插座，還專門設置了 5 個空腳。基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計8M C 1 4 0 38 7 6 51 2 3 4V i n V o u t G N DN CN CN CN CN C圖 MC1403 引腳排列圖 軟件設計方案振動識別單元由安裝在桿塔上的傳感器模塊+微處理器+ZigBee 無線通信+PC 監(jiān)控中心組成，軟件設計涉及到對信號的采樣，采樣數據的運算，及與遠端上位機的通信程序。而這些主要的軟件設計部分主要是由對芯片 C8051F060 編程來完成。C8051F060 具有兩個 16 位、 1Msps 的 ADC，帶 DMA 控制器，4k 片內 RAM，兩個UART 串行接口，以及定時器可供使用，能滿足軟件設計的配置要求。如圖 所示為系統(tǒng)軟件設計程序流程圖。開始局部采樣振動預判斷完整采樣F F T 變換有無振動發(fā)送振動識別信息有無上位機召喚指令發(fā)送當前信息結束無有無無有有基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計9圖 系統(tǒng)軟件設計程序流程圖從圖中可知，軟件設計部分也涉及到系統(tǒng)設計的三個主要具體功能，信號采集部分，數據處理部分，以及信息通信部分。三個部分具體的連接使用，將在后續(xù)章節(jié)具體闡述。 本章總結本章主要介紹了輸電桿塔振動檢測系統(tǒng)的整體設計方案，并分別，對其中的硬件設計方案及軟件設計方案進行了詳細的介紹，在硬件設計方案中給出了整體硬件框架，并介紹了系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中選取的元器件，簡單描述了它們的工作原理。軟件設計方案中描述了整體軟件設計構架。系統(tǒng)的整體設計思路，讓我們在做系統(tǒng)之前有一個明確的認識，能更好更清晰的去完成每一個環(huán)節(jié)?；跓o線通信的輸電桿塔振動識別單元設計103 輸電桿塔振動識別單元的硬件實現 系統(tǒng)電源設計電源設計是決定本設計優(yōu)劣的一個重要因素，在此前介紹的硬件電路設計中，都需要提供電源支持，因此電源電路的穩(wěn)定性決定其他器件的穩(wěn)定性，最終決定實驗結果的準確性。在硬件電路設計方案中，我們可以看出，在調理電路中，我們需要能提供直流24V，177。12V，177。5V， 的電源。如圖 所示為系統(tǒng)整個電源分配結構圖，以下將詳細介紹電源轉換各模塊的實現方法。電源轉換模塊輸入電源 ?3.???12V?4?傳感器供電運放供電運放供電加法電路單片機供電圖 系統(tǒng)電源轉換示意圖在本設計中，我們改變變阻器阻值設置電源轉換模塊輸出為直流的+5V。考慮到輸電桿塔所處的地理位置及特殊的外部環(huán)境，我們需要保證本設計能適用于更多的特殊、偏遠、條件落后的環(huán)境下，我們采用可調節(jié)的寬電壓輸入的電源模塊。為后期的使用提供更多的選擇。我們選擇寬電壓輸入 QS1212CBD24W 電源轉換模塊，其輸入電壓范圍 335V，輸出電壓范圍 ，電流 2A。其引腳圖如圖 所示。in+oQSCBDU7W圖 QS1212CBD 電源轉換模塊引腳圖基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計11 IAS2W 系列 DCDC 轉換器IA0512S2W 電源轉換模塊輸入電壓標稱值 5V，輸出電壓標稱值 ，輸出12VDC?電流 。?IA0505S2W 電源轉換模塊輸入電壓標稱值 5V，輸出電壓標稱值 ，輸出電5流 。o0I0如圖 所示，給出了電源轉換模塊的連接電路圖。 +GN3RJ6in79SWUQB圖 電源轉換模塊電路連接圖 AS1117 芯片電路連接圖數據采集芯片 C8051F060 供電需要 的模擬電源和數字電源，本文用 AS1117芯片固定輸出 版本，其電路連接圖如圖 所示。OTuFHL圖 AS1117 芯片 5V 轉 電源電路電路功能：將直流 5V 轉換成 的模擬電源和 數字電源輸出。供C8051F060 使用。電路元器件說明：電路中電容起到濾波的作用，電感 L1 和 C4C43 組成的 型??電路，電感的作用是起濾波作用，另外當數字電路工作在高頻時電源的脈動比較大，如果和模擬電源一起使用時就會給模擬電源造成干擾，電感在這里使數字電源和模擬基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計12電源互不影響，都保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。 MC1403 電路連接圖 +圖 芯片引腳連接圖電路功能：這部分的電源轉換模塊作用是輸出固定 電壓，作為減法電路中的減數。電路元器件說明：MC1403 是低壓基準芯片。一般用作需要基本精準的基準電壓的場合。因為輸出是固定的，所以電路很簡單。就是 Vin 接電源輸入，GND 接底，Vout 加一個 ~1uF 的電容就可以了。 振動信號調理電路設計各種傳感器輸出的信號很微弱，所處的環(huán)境噪聲很大，后續(xù)模塊很難檢測到，信號頻率成分也十分復雜，因此需要對各種傳感器的輸出信號進行有針對性的調理，來達到后續(xù)模塊的采集要求。整個調理電路是由電流穩(wěn)壓電路、放大電路、濾波電路、跟隨與限幅電路、減法與反相電路組成。以下為調理電路結構圖：放大電路濾波電路 限幅電路 加法電路傳感器信號送至采集芯片圖 調理電路結構圖 放大電路設計如圖 所示，為信號放大電路。電路功能：放大信號；傳感器采集的信號是很微弱的，因此首先將信號做放大處理，本文采用簡單的同相放大電路，利用 R3 和 RV1 的阻值比例關系，達到放大信號的目的。電路元器件說明： 為變阻器，在調試電路時，根據需要改變變阻器的阻值來調1RV節(jié)放大倍數?；跓o線通信的輸電桿塔振動識別單元設計133261574UKR+圖 信號放大電路其放大的輸出信號 計算式為：outS ()31out inRVS??因此電路的放大倍數為 。??313VA?仿真：如圖 所示為放大電路在 Multisim 中仿真結果。輸入為 50HZ、2V 的正弦波形，放大倍數設置為 。V??圖 Multisim 中放大電路仿真結果 濾波電路設計如圖 所示，為信號濾波電路。電路功能：采用二階有源低通濾波器，濾去信號中的高頻部分。電路說明：如圖 所示，這是一個典型的二階有源低通濾波電路，它是由兩節(jié)RC 濾波電路和同相比例放大電路組成，這樣輸入阻抗高，輸出阻抗低。同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，本設計中同相比例放大電路的電壓增益設置為 1，即 。二階低通濾波電路傳遞函數的典型表達式為：01VFA?基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計14 ()??20csAsQ???其中 為截止頻率，此設計中 ，品質因數 ，當 時c??2VA?電路穩(wěn)定， ，即運算放大器的負端與輸出端短路連接，從而滿足穩(wěn)定要求。1VA?36UuFK+Single_IOt圖 濾波電路仿真：如圖 所示為濾波電路在 Multisim 中仿真結果圖。輸入為 50HZ、2V 及1000HZ、 的電壓疊加波形。從圖中可以看到經濾波后，高頻波形被略去，輸出波形是平滑的正弦波形，說明濾波效果很好。圖 中濾波電路仿真結果 限幅電路設計如圖 所示，為信號限幅電路。電路功能：限幅、分壓，限制輸出信號的幅值，并使信號輸出幅值在一定的范圍內，主要是滿足單片機采樣引腳輸入電壓范圍為 之間的硬件要求，使輸出信號為單片機可用的有效信號。電路元器件說明：電路前半部分設置一個跟隨電路，使得輸入阻抗高，輸出阻抗低，兩個二極管，起到限幅的作用，當信號波峰大于 5V，則 D1 導通，D2 截止，后續(xù)電路的最大峰值為 5V；當信號波谷小于5V，則 D1 截止，D2 導通，后續(xù)電路的最小基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計15值為5V 。RV2 為變阻器，通過變阻器的阻值變化，改變輸出信號大小。 1KR9D2+圖 限幅電路仿真：圖 所示為限幅電路在 Multisim 中仿真結果。輸入為 50HZ、10V 的正弦波形。從圖中可知，當輸入信號幅值大于 5V 時，輸出信號最大為 5V。圖 Multisim 中限幅電路仿真結果 微處理器芯片外圍電路設計采集的主芯片使用完全集成混合信號片上系統(tǒng)級芯片 C8051F060，芯片的微控制器與 MCS51 指令集及內核完全兼容，高速的流水線操作，是大部分指令能夠在一個或兩個周期內完成，片內集成了兩個 16 位、1Msps 的 ADC，帶有 DMA 控制器，可以很方便地在短時間內采集大量的數據。該款單片機在提高速度的同時，集成了眾多的硬件資源，不需要和傳統(tǒng)的單片機一樣去外擴大量的器件，就可以實現復雜且高速的數據采集功能。數據采集時，C8051F060 的內部硬件資源使用如下圖 所示。A D C 0T i m e 3D M A 0 X R A MS i g n a l圖 C8051F060 數據采集流程圖數據采集板電路設計如附圖 1 所示。C8051F060 芯片中，AV3 是模擬電源端，DV3 是數字電源端， AGND 是模擬地端，基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計16GND 是數字地端。其中模擬電源和數字電源接 ，數字地和模擬地均接地。 JTAG 調試接口圖 所示為單片機 JTAG 調試外圍接口電路，片內 JTAG 調試電路允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品 MCU 進行非侵入式（不占用片內資源） 、全速、在線調試