隨著計算機控制技術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷進步,網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)(Networked Control System,NCS)也得以快速發(fā)展。當前,我國工業(yè)企業(yè)正逐步采用具有無線通信能力的智能終端設(shè)備,取代傳統(tǒng)儀器儀表,以減少傳統(tǒng)傳輸媒介限制,克服有線方式帶來現(xiàn)場設(shè)備可能面臨的旋轉(zhuǎn)纏繞或者移動難題,解決可能遇到的現(xiàn)場環(huán)境惡劣致使人員無法到達的弊端情況。某儀表自動化公司為提升產(chǎn)品質(zhì)量、擴大市場規(guī)模,降低開發(fā)成本,委托本論文研究者所在的實驗室開發(fā)了一個低成本、小規(guī)模的ZigBee網(wǎng)絡控制系統(tǒng),該ZigBee網(wǎng)絡控制系統(tǒng)可快速準確地完成節(jié)點的組網(wǎng)、組態(tài)和在線輪詢功能,滿足實際應用的需求。本論文在繼承現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上,針對ZigBee網(wǎng)絡控制系統(tǒng),開展了新型網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲設(shè)計,研發(fā)了多信道組簇新技術(shù),增強了協(xié)調(diào)器與各簇首主從通信、簇內(nèi)節(jié)點隱性令牌通信這兩者之間的并行同步工作能力,提高通信效率,擴大了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在線輪詢的接入設(shè)備數(shù),建立了面向應用的容錯及健康診斷機制,提高系統(tǒng)的魯棒性。本論文主要內(nèi)容如下:1)系統(tǒng)設(shè)計。ZigBee網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)由上位機、協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)和令牌簇三部分組成,基于多信道分簇的技術(shù)思想進行系統(tǒng)框架方案設(shè)計。上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)與協(xié)調(diào)器通信連接,協(xié)調(diào)器與令牌簇通過ZigBee無線模塊進行通信。令牌簇結(jié)構(gòu)包括一個簇首節(jié)點和多個簇內(nèi)節(jié)點。簇首節(jié)點配置兩個ZigBee模組,分別工作在不同的信道上,用于區(qū)別簇內(nèi)通信和簇間通信,互不干擾。協(xié)調(diào)器與各簇間使用固定信道通信,嚴格遵守主從輪詢通信;單個網(wǎng)絡簇內(nèi)則分配全網(wǎng)唯一數(shù)據(jù)通信信道,采用令牌通信。令牌組簇的思想在于,簇內(nèi)節(jié)點自定義協(xié)議組網(wǎng),將簇內(nèi)各智能設(shè)備節(jié)點之間的通信機制改造成隱形令牌傳輸機制,收到輪詢請求命令的簇內(nèi)節(jié)點搶占令牌,獲得簇內(nèi)信道使用權(quán),將采樣數(shù)據(jù)與請求命令打包作為新的令牌傳遞給簇內(nèi)下一個指定節(jié)點,完成簇內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)逐一向后傳遞,同時釋放令牌使用權(quán)。采用隱形令牌通信機制,與點對點主從通信相比,減少數(shù)據(jù)通信傳遞次數(shù),并且去除冗余的報頭報尾,提高網(wǎng)絡帶寬資源利用率;簇內(nèi)通信、簇間通信各自獨立,可同步進行,互不影響。結(jié)合網(wǎng)絡控制系統(tǒng)令牌簇技術(shù),設(shè)計相應的容錯和健康診斷機制,令牌簇內(nèi)節(jié)點發(fā)生故障,響應超時,簇內(nèi)下一指定節(jié)點依自定義協(xié)議組幀作為令牌定時觸發(fā)、主動上傳,避免簇內(nèi)節(jié)點故障造成該簇崩潰,保障系統(tǒng)魯棒性。2)硬件設(shè)計。完成簇首節(jié)點硬件方案設(shè)計,能夠使多信道網(wǎng)絡控制系統(tǒng)令牌組簇通信正常運行。為滿足簇首節(jié)點和令牌組簇網(wǎng)絡的工作性能,同時基于功耗和成本考慮因素,選取STM32F072作為MCU主控制芯片;設(shè)計簇首節(jié)點最小系統(tǒng)電路作為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)多信道組簇技術(shù)能夠正常實現(xiàn)的基礎(chǔ);設(shè)計ZigBee、USART串口通信和USB串口調(diào)試的硬件接口電路,用于實現(xiàn)通信及在線調(diào)試功能;為提高數(shù)據(jù)采樣速度、精度及數(shù)據(jù)準確度,采用片外ADC芯片并設(shè)計相應外圍電路;使用MCU片內(nèi)FLASH的存儲能力進行網(wǎng)絡控制系統(tǒng)令牌簇的簇成員和數(shù)據(jù)管理。3)軟件開發(fā)。完成網(wǎng)絡控制系統(tǒng)多信道資源分配和令牌組簇的各個功能模塊的程序編寫與實現(xiàn)。主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),令牌簇內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)通信收發(fā)協(xié)議的制定與實現(xiàn);借助協(xié)調(diào)器協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)功能,上位機對令牌簇內(nèi)節(jié)點組網(wǎng)組態(tài)參數(shù)配置;根據(jù)數(shù)據(jù)實時性優(yōu)先級不同,進行通信調(diào)度策略的設(shè)計實現(xiàn);令牌簇內(nèi)的容錯機制設(shè)計,通過協(xié)議自定義建立的隱形令牌和協(xié)議幀頭記錄的健康節(jié)點ID值范圍,實現(xiàn)了系統(tǒng)的健康診斷,并使用定時觸發(fā)、主動上傳的設(shè)計思想,解決了因節(jié)點損壞,后續(xù)節(jié)點無法上傳數(shù)據(jù)的問題。4)實驗驗證。通過將上位機與協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)、令牌簇的簇首節(jié)點及簇內(nèi)采樣節(jié)點構(gòu)建一個完整的實驗平臺,在平臺上完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào),測試,以及系統(tǒng)運行測試改進,完成項目開發(fā);針對本文設(shè)計的多信道組簇和網(wǎng)絡容錯機制和健康診斷進行測試,并對實驗結(jié)果進行分析,驗證了ZigBee多信道網(wǎng)絡控制系統(tǒng)各項功能的正確性和有效性,能夠滿足實際需要,具有較好的應用推廣價值。
【學位單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TP273;TN92
【部分圖文】：

西南大學工程碩士學位論文50圖4-3ZigBee簇首節(jié)點主芯片電路Figure4-3ZigBeecluster-headnodemainchipcircuit7號引腳為芯片異步復位電路接口，將NRST引腳拉低電平,MCU處于復位狀態(tài),重設(shè)片內(nèi)所有內(nèi)部寄存器,及片上16KB的SRAM。當NRST從低電平變高時,PC指針從0開始。23、35、47號引腳為數(shù)字供電的公共接地端電壓地信號。8、9號引腳為模擬電路部分輸入的電壓正端和地，微控制器使用VDDA電壓值作為AD（模數(shù)）或者DA（數(shù)模）的參考電壓。為保證精準度，須設(shè)計穩(wěn)壓電路，再接入VDDA主要為各模擬電路模塊等進行供電。在本設(shè)計中，電路中同時存在數(shù)字電路和模擬電路，模擬供電與數(shù)字供電選擇同一電源，須使用150R@100Mhz參數(shù)的磁珠或者零值電阻隔離數(shù)字地和模擬地。5、6號引腳為外部高速石英晶振(HSE)的接口，STM32F072CBT6微控制器芯片采用8Mhz石英晶振，3、4號引腳為外部低速晶振的接口，采用32.768Khz外置晶振用于低速外設(shè)設(shè)備提供時鐘。芯片內(nèi)部時鐘在上電運行過程中由于發(fā)熱等其他因素造成溫度影響較大，精準度受其影響會降低，采用外部高速時鐘能有效解決精度不準問題。其中34、37號引腳為SWDIO和SWCLK的接口，是用于SWD串行調(diào)試所必須的時鐘線和數(shù)據(jù)線。以上引腳是保證芯片正常工作的最少外部資源，以下為最小系統(tǒng)中各部分模塊電路設(shè)計。

第4章現(xiàn)場測控節(jié)點組簇的簇首節(jié)點硬件設(shè)計51（1）時鐘系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)是微控制器正常運行的關(guān)鍵基礎(chǔ)，芯片接入外部高速晶振(HSE)，經(jīng)芯片內(nèi)部分頻倍頻完成轉(zhuǎn)換為芯片內(nèi)核和多個外設(shè)的正常使用提供周期性脈沖驅(qū)動，按照一定的時序，高速運轉(zhuǎn)并有效進行數(shù)據(jù)處理運算。在MCU中時鐘系統(tǒng)就像人的心臟一樣，給系統(tǒng)一個脈搏一樣一個穩(wěn)定的工作時間基準，重要性不可言喻。STM32的時鐘從來源可分為內(nèi)部時鐘和外部時鐘，從運行速度可分為低速時鐘和高速時鐘。其時鐘分類如表4-2所示。表4-2芯片時鐘分類Table4-2Chipclockclassification時鐘速度內(nèi)部時鐘外部時鐘高速時鐘HSIHSE低速時鐘LSILSE本文設(shè)計的令牌組簇的ZigBee簇首節(jié)點使用高速外部時鐘（HSE）作為微控制器的時鐘源。時鐘電路設(shè)計參考AN2867STM振蕩器設(shè)計指南，如圖4-4[56]所示。圖4-4晶振電路參考圖Figure4-4Crystaloscillatorreferencecircuitdiagram晶振有一個重要的參數(shù)，即負載電容值。負載電容值由外置電容CL1和CL2以及雜散電容決定。晶振匹配的負載電容值計算形如式4-1：1212LLLSLLCCCCCC=++(4-1)其中，CL1和CL2是晶振旁邊的兩顆外接電容，CS是雜散電容值。

西南大學工程碩士學位論文52本文設(shè)計的HSE高速晶振時鐘電路如圖4-5所示。Y1的8M晶振1和2兩端兩條線分別與STM32F072CBT6的5號引腳OSC_IN和6號引腳OSC_OUT相連接,經(jīng)STM32F072CBT6內(nèi)部倍頻器和分頻器的共同作用，將SYSCLK主頻提升高至48Mhz。C9和C10為外置高速晶振能正常工作的起振電容，R6為晶振增益裕量等效電阻值(Gainmarginvalue)。圖4-5高速外部晶振工作電路Figure4-5HSEworkingcircuitY2的32.768K晶振1和2兩端兩條線分別與STM32F072CBT6的4號引腳和5號引腳。Y2為芯片提供的時鐘頻率，提供給RTC實時時鐘模塊。低速外部時鐘（LSE）電路設(shè)計如圖4-6所示。圖4-6低速外部晶振工作電路Figure4-6LSEworkingcircuit（2）復位電路組簇的簇首節(jié)點復位電路采用按鍵復位設(shè)計，在上電運行過程中，通過外部按鍵操作，完成節(jié)點從當前程序運行的狀態(tài)恢復到上電初始狀態(tài)。在程序下載以及代碼調(diào)試階段用于復位，長時間正常運行中不需要復位操作。
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本文編號：2865626