【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)部有兩個全雙工增強型 UART， UART0 是一個具有地址識別硬件和幀錯誤檢測的增強型串行口。它可以工作在半雙工同步方式和全雙工一步方式。UART0 有兩個中斷源，一個發(fā)送中斷標志和一個接收中斷標志。 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 個計數(shù)器 /定時器，這些計數(shù)器 /定時器可以用于測量時間間隔、對外部事件計數(shù)或產(chǎn)生周期性的中斷請求。其中定時器 0 和定時器 1 有四種工作方式；定時器 定時器 3 和定時器 4 是 16 位自動重裝載并具有捕捉功能的定時器，這三個定時器用法完全相同。 無線通信 Zigbee 是基于 標準的低功耗廣域網(wǎng) 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)、媒體訪問控制層基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 6 (MAC)、傳輸層 (TL)、 網(wǎng)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(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、供應鏈自動化、智能建筑、公共安全、環(huán)境保護、遙感勘測、農(nóng)業(yè)、煤礦、石化等領域。 本文所采用 ZigBee 模塊是基于 ZigBee20xx 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(wǎng)的功能，所有的模塊上電即自動組 網(wǎng)。 Zigbee網(wǎng)絡通常由三種節(jié)點構(gòu)成： Coordinator：用來創(chuàng)建一個 Zigbee 網(wǎng)絡，并為初次加入網(wǎng)絡的節(jié)點分配地址，每個 Zigbee 網(wǎng)絡需要且只需要一個 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，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(shù)據(jù)；上位機端ZigBee 模塊為 Coordinator，作為組網(wǎng)的主機；當全部上電， 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(zhuǎn)換模塊 從圖 系 統(tǒng)硬件設計結(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，我們設計了多種電源轉(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) 。在本設計中用 IA_S2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)直流 5V 轉(zhuǎn) 24V、177。 12V和177。 5V；用 AS1117 低壓差的線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)直流 5V轉(zhuǎn) ，用 MC1403 實現(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計 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(nèi)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(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(chǎn)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。 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計 8 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(shù)據(jù)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(nèi) 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(jié) 束無有無無有有 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(shù)據(jù)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(jié) 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，并基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 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。軟件設計方案中描述了整體軟件設計構(gòu)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)。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 10 3 輸電桿塔振動識別單元的硬件實現(xiàn) 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(jié)果的準確性。 在硬件電路設計方案中，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)整個電源分配結(jié)構(gòu)圖，以下將詳細介紹電源轉(zhuǎn)換各模塊的實現(xiàn)方法。 電 源 轉(zhuǎn) 換 模 塊輸 入電 源 2. 5 V? V?5V??12 V??24 V?傳感器供電運放供電運放供電加法電路單片機供電 圖 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換示意圖 在本設計中，我們改變變阻器阻值設置電源轉(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(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計 11 IAS2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器 IA0512S2W 電源轉(zhuǎn)換模塊輸入電壓標稱值 5V，輸出電壓標稱值 12VDC? ，輸出電流 o4. 2 m A I 42 m A?? 。 IA0505S2W 電源轉(zhuǎn)換模塊輸入電壓標稱值 5V，輸出電壓標稱值 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，另外當數(shù)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(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計 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(diào)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(diào)理，來達到后續(xù)模塊的采集要求。 整個調(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： 1RV 為變阻器，在調(diào)試電路時，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計 13 3261 574U21KR3+12V12VC2C3R220KRV1C1Single_In1Single_Out1 圖 信號放大電路 其放大的輸出信號 outS 計算式為： 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)設置為 3VA? ? 。 圖 Multisim 中放大電路仿真結(jié)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