【文章內(nèi)容簡介】 作，將 ADC 輸出數(shù)據(jù)在不經(jīng)過處理器指令而直接寫入指定的 XRAM 區(qū)域。 C8051F060MCU 內(nèi)部有兩個(gè)全雙工增強(qiáng)型 UART， UART0 是一個(gè)具有地址識別硬件和幀錯(cuò)誤檢測的增強(qiáng)型串行口。它可以工作在半雙工同步方式和全雙工一步方式。UART0 有兩個(gè)中斷源，一個(gè)發(fā)送中斷標(biāo)志和一個(gè)接收中斷標(biāo)志。 UART0 提供四種工作方式，四種方式提供不同的波特率和通信協(xié)議。 C8051F060 MCU 內(nèi)部有 5 個(gè)計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器，這些計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器可以用于測量時(shí)間間隔、對外部事件計(jì)數(shù)或產(chǎn)生周期性的中斷請求。其中定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1 有四種工作方式；定時(shí)器 定時(shí)器 3 和定時(shí)器 4 是 16 位自動重裝載并具有捕捉功能的定時(shí)器，這三個(gè)定時(shí)器用法完全相同。 無線通信 Zigbee 是基于 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗廣域網(wǎng) 協(xié)議 。 ZigBee 技術(shù)是一種短距離、低功耗的 無線通信 技術(shù)。 ZigBee 協(xié)議從下到上分別為 物理層 (PHY)、媒體訪問控制層基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 6 (MAC)、傳輸層 (TL)、 網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)、 應(yīng)用層 (APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。 ZigBee 模塊以其工業(yè)級應(yīng)用設(shè)計(jì)、穩(wěn)定可靠、標(biāo)準(zhǔn)易用、功能強(qiáng)大等突出特點(diǎn)，在通信市場發(fā)展迅猛， 已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的 M2M 行業(yè)，如智能電網(wǎng)、智能交通、移動 POS 終端、工業(yè)自動化、供應(yīng)鏈自動化、智能建筑、公共安全、環(huán)境保護(hù)、遙感勘測、農(nóng)業(yè)、煤礦、石化等領(lǐng)域。 本文所采用 ZigBee 模塊是基于 ZigBee20xx 協(xié)議，可視傳輸距離可達(dá) 1600 米的ZigBee 技術(shù)應(yīng)用，該模塊具有自動組網(wǎng)的功能，所有的模塊上電即自動組 網(wǎng)。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)通常由三種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成： Coordinator：用來創(chuàng)建一個(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，并為初次加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配地址，每個(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)需要且只需要一個(gè) Coordinator； Router：可以收發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的作用； End Device：終端節(jié)點(diǎn)，通常定義為電池供電的低功耗設(shè)備。 本文中配置振動識別端 ZigBee 模塊為 Router，用來為下位機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)；上位機(jī)端ZigBee 模塊為 Coordinator，作為組網(wǎng)的主機(jī)；當(dāng)全部上電， Coordinator 自動將所在范圍內(nèi)所有 Router 組網(wǎng)并分配 地址。組網(wǎng)完成后， ZigBee 模塊間實(shí)行透明傳輸數(shù)據(jù)方式。 ZigBee 模塊參數(shù)如下： 輸入電壓范圍： ，標(biāo)準(zhǔn)電壓 ； 串口速率可設(shè)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(jī)： 40MA（最大）； 接口： UART 。 電源轉(zhuǎn)換模塊 從圖 系 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)了多種電源轉(zhuǎn)換模塊，其中涉及到總輸入電源轉(zhuǎn)換，直流 5V 轉(zhuǎn) 24V，直流 5V 轉(zhuǎn)177。 12V，直流 5V轉(zhuǎn)177。 5V，直流 5V 轉(zhuǎn) ，直流5V 轉(zhuǎn) 。在本設(shè)計(jì)中用 IA_S2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)直流 5V 轉(zhuǎn) 24V、177。 12V和177。 5V；用 AS1117 低壓差的線性穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)直流 5V轉(zhuǎn) ，用 MC1403 實(shí)現(xiàn)直流 5V轉(zhuǎn) 。以下為各轉(zhuǎn)換模塊的簡介。 IAS2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)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。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 7 Vin1GND2+Vo70V10V09IA0512S2WU14 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(yīng)用電路簡單，固定電壓版本只需要輸入輸出兩個(gè)電容和負(fù)載。芯片內(nèi)部包括啟動電路，偏置電路，電壓基準(zhǔn)源電路，過熱保護(hù)，過流保護(hù)，功率管極其驅(qū)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。 MarkSOT2231 2 3 圖 AS1117 引腳排列圖 AS1117 固定版本典型應(yīng)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(yīng)用圖 MC1403 是美國摩 托羅拉公司生產(chǎn)的高準(zhǔn)確度、低溫漂、采用激光修正的帶隙基準(zhǔn)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(shè)置了 5 個(gè)空腳。 M 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 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 8 軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)涉及到對信號的采樣，采樣數(shù)據(jù)的運(yùn)算，及與遠(yuǎn)端上位機(jī)的通信程序。而這些主要的軟件設(shè)計(jì)部分主要是由對芯片 C8051F060 編程來完成。 C8051F060具有兩個(gè) 16 位、 1Msps 的 ADC，帶 DMA 控制器， 4k 片內(nèi) RAM，兩個(gè) UART 串行接口，以及定時(shí)器可供使用，能滿足軟件設(shè)計(jì)的配置要求。如圖 所示為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖。 開 始局 部 采 樣振 動 預(yù) 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(jī) 召 喚 指 令發(fā) 送 當(dāng) 前 信 息結(jié) 束無有無無有有 圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖 從圖中可知，軟件設(shè)計(jì)部分也涉及到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)主要具體功能，信號采集部分，數(shù)據(jù)處理部分，以及信息通信部分。三個(gè)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(jié) 本章主要介紹了輸電桿塔振動檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并分別，對其中的硬件設(shè)計(jì)方案及軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，在硬件設(shè)計(jì)方案中給出了整體硬件框架，并基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 9 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(shè)計(jì)方案中描述了整體軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路，讓 我們在做系統(tǒng)之前有一個(gè)明確的認(rèn)識，能更好更清晰的去完成每一個(gè)環(huán)節(jié)。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 10 3 輸電桿塔振動識別單元的硬件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 電源設(shè)計(jì)是決定本設(shè)計(jì)優(yōu)劣的一個(gè)重要因素，在此前介紹 的硬件電路設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 在硬件電路設(shè)計(jì)方案中，我們可以看出，在調(diào)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(gè)電源分配結(jié)構(gòu)圖，以下將詳細(xì)介紹電源轉(zhuǎn)換各模塊的實(shí)現(xiàn)方法。 電 源 轉(zhuǎn) 換 模 塊輸 入電 源 2. 5 V? V?5V??12 V??24 V?傳感器供電運(yùn)放供電運(yùn)放供電加法電路單片機(jī)供電 圖 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換示意圖 在本設(shè)計(jì)中，我們改變變阻器阻值設(shè)置電源轉(zhuǎn)換模塊輸出為直流的 +5V?？紤]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(shè)計(jì)能適用于更多的特殊、偏遠(yuǎn)、條件落后的環(huán)境下，我們采用可調(diào)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(zhuǎn)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。 Vin+1Vin2Vo4Vo+3QS1212CBDU17QS1212CBD24W+5V 圖 QS1212CBD 電源轉(zhuǎn)換模塊引 腳圖 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 11 IAS2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器 IA0512S2W 電源轉(zhuǎn)換模塊輸入電壓標(biāo)稱值 5V，輸出電壓標(biāo)稱值 12VDC? ，輸出電流 o4. 2 m A I 42 m A?? 。 IA0505S2W 電源轉(zhuǎn)換模塊輸入電壓標(biāo)稱值 5V，輸出電壓標(biāo)稱值 5VDC? ，輸出電流 o20 m A I 20 0 m A?? 。 如圖 所示，給出了電源轉(zhuǎn)換模塊的連接電路圖。 +12V12V+24VGNDD3R21123J6+5V5VVin1GND2+Vo70V10V09IA0512S2WU14Vin1GND2+Vo70V10V09IA0505S2WU16C50C51Vin1GND2+Vo70V10V09IA0512S2WU13C52C53C54C55Vin+1Vin2Vo4Vo+3QS1212CBDU17QS1212CBD24WVo+1 32 4U201 32 4U151 32 4U19+5V 圖 電源轉(zhuǎn)換模塊電路連接圖 AS1117 芯片電路連接圖 數(shù)據(jù)采集芯片 C8051F060 供電需要 的模擬電源和數(shù)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。 3 21V VGNDINOUTU12 AS111710uFC39C40C4110uHL110uFC43C42DV3 AV3GNDAGNDVo+ 圖 AS1117 芯片 5V 轉(zhuǎn) 電源電路 電路功能：將直流 5V 轉(zhuǎn)換成 的模擬電源和 數(shù)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 C4 C43 組成的 型電路，電感的作用是起濾波作用，另外當(dāng)數(shù)字電路工作在高頻時(shí)電源的脈動比較大，如果和模擬電源一起使用 時(shí)就會給模擬電源造成干擾，電感在這里使數(shù)字電源和模擬電源基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 12 互不影響，都保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。 MC1403 電路連接圖 +5VC13Vin1Vout2Gnd3U7MC1403 V 圖 芯片引腳連接圖 電路功能：這部分的電源轉(zhuǎn)換模塊作用是輸出固定 電壓，作為減法電路中的減數(shù)。 電路元器件說明： MC1403 是低壓基準(zhǔn)芯片。一般用作需要基本精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓的場合。因?yàn)檩敵鍪枪潭ǖ模噪娐泛芎唵?。就?Vin 接電源輸入， GND 接底， Vout加一個(gè) ~1uF 的電容就可以了。 振動信號調(diào)理電路設(shè)計(jì) 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(fù)雜，因此需要對各種傳感器的輸出信號進(jìn)行有針對性的調(diào)理，來達(dá)到后續(xù)模塊的采集要求。 整個(gè)調(diào)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(diào)理電路結(jié)構(gòu)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(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖 放大電路設(shè)計(jì) 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(guān)系，達(dá)到放大信號的目的。 電路元器件說明： 1RV 為變阻器，在調(diào)試電路時(shí)，根據(jù)需要改變變阻器的阻值來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 13 3261 574U21KR3+12V12VC2C3R220KRV1C1Single_In1Single_Out1 圖 信號放大電路 其放大的輸出信號 outS 計(jì)算式為： 31out3 inR RVSSR?? () 因此電路的放大倍數(shù)為 ? ?3 1 3VA R RV R? ?? 。 仿真：如圖 所示為放大電路在 Multisim 中仿真 結(jié)果 。輸入 為 50HZ、 2V的正弦波形，放大倍數(shù)設(shè)置為 3VA? ? 。 圖 Multisim 中放大電路仿真結(jié)果 濾波電路設(shè)計(jì) 如圖 所示，為信號濾波電路。 電路功能：采用二階有源低