隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步,網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(Networked Control System,NCS)也得以快速發(fā)展。當(dāng)前,我國(guó)工業(yè)企業(yè)正逐步采用具有無(wú)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(lái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可能面臨的旋轉(zhuǎn)纏繞或者移動(dòng)難題,解決可能遇到的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣致使人員無(wú)法到達(dá)的弊端情況。某儀表自動(dòng)化公司為提升產(chǎn)品質(zhì)量、擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模,降低開(kāi)發(fā)成本,委托本論文研究者所在的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一個(gè)低成本、小規(guī)模的ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),該ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可快速準(zhǔn)確地完成節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)、組態(tài)和在線輪詢功能,滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。本論文在繼承現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上,針對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),開(kāi)展了新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì),研發(fā)了多信道組簇新技術(shù),增強(qiáng)了協(xié)調(diào)器與各簇首主從通信、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在線輪詢的接入設(shè)備數(shù),建立了面向應(yīng)用的容錯(cuò)及健康診斷機(jī)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(jì)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)由上位機(jī)、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(jìn)行系統(tǒng)框架方案設(shè)計(jì)。上位機(jī)通過(guò)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(guò)ZigBee無(wú)線模塊進(jìn)行通信。令牌簇結(jié)構(gòu)包括一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)和多個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。簇首節(jié)點(diǎn)配置兩個(gè)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(yán)格遵守主從輪詢通信;單個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)自定義協(xié)議組網(wǎng),將簇內(nèi)各智能設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的通信機(jī)制改造成隱形令牌傳輸機(jī)制,收到輪詢請(qǐng)求命令的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)搶占令牌,獲得簇內(nèi)信道使用權(quán),將采樣數(shù)據(jù)與請(qǐng)求命令打包作為新的令牌傳遞給簇內(nèi)下一個(gè)指定節(jié)點(diǎn),完成簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)逐一向后傳遞,同時(shí)釋放令牌使用權(quán)。采用隱形令牌通信機(jī)制,與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(bào)頭報(bào)尾,提高網(wǎng)絡(luò)帶寬資源利用率;簇內(nèi)通信、簇間通信各自獨(dú)立,可同步進(jìn)行,互不影響。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)令牌簇技術(shù),設(shè)計(jì)相應(yīng)的容錯(cuò)和健康診斷機(jī)制,令牌簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障,響應(yīng)超時(shí),簇內(nèi)下一指定節(jié)點(diǎn)依自定義協(xié)議組幀作為令牌定時(shí)觸發(fā)、主動(dòng)上傳,避免簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)故障造成該簇崩潰,保障系統(tǒng)魯棒性。2)硬件設(shè)計(jì)。完成簇首節(jié)點(diǎn)硬件方案設(shè)計(jì),能夠使多信道網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)令牌組簇通信正常運(yùn)行。為滿足簇首節(jié)點(diǎn)和令牌組簇網(wǎng)絡(luò)的工作性能,同時(shí)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(jì)簇首節(jié)點(diǎn)最小系統(tǒng)電路作為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)多信道組簇技術(shù)能夠正常實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ);設(shè)計(jì)ZigBee、USART串口通信和USB串口調(diào)試的硬件接口電路,用于實(shí)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(zhǔn)確度,采用片外ADC芯片并設(shè)計(jì)相應(yīng)外圍電路;使用MCU片內(nèi)FLASH的存儲(chǔ)能力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)令牌簇的簇成員和數(shù)據(jù)管理。3)軟件開(kāi)發(fā)。完成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)多信道資源分配和令牌組簇的各個(gè)功能模塊的程序編寫與實(shí)現(xiàn)。主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),令牌簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信收發(fā)協(xié)議的制定與實(shí)現(xiàn);借助協(xié)調(diào)器協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)功能,上位機(jī)對(duì)令牌簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)組態(tài)參數(shù)配置;根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性優(yōu)先級(jí)不同,進(jìn)行通信調(diào)度策略的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn);令牌簇內(nèi)的容錯(cuò)機(jī)制設(shè)計(jì),通過(guò)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(diǎn)ID值范圍,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的健康診斷,并使用定時(shí)觸發(fā)、主動(dòng)上傳的設(shè)計(jì)思想,解決了因節(jié)點(diǎn)損壞,后續(xù)節(jié)點(diǎn)無(wú)法上傳數(shù)據(jù)的問(wèn)題。4)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)將上位機(jī)與協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)、令牌簇的簇首節(jié)點(diǎn)及簇內(nèi)采樣節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在平臺(tái)上完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào),測(cè)試,以及系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試改進(jìn),完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā);針對(duì)本文設(shè)計(jì)的多信道組簇和網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)機(jī)制和健康診斷進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,驗(yàn)證了ZigBee多信道網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能的正確性和有效性,能夠滿足實(shí)際需要,具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。
【學(xué)位單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TP273;TN92
【部分圖文】：

西南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文50圖4-3ZigBee簇首節(jié)點(diǎn)主芯片電路Figure4-3ZigBeecluster-headnodemainchipcircuit7號(hào)引腳為芯片異步復(fù)位電路接口，將NRST引腳拉低電平,MCU處于復(fù)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(dāng)NRST從低電平變高時(shí),PC指針從0開(kāi)始。23、35、47號(hào)引腳為數(shù)字供電的公共接地端電壓地信號(hào)。8、9號(hào)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(zhǔn)度，須設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，再接入VDDA主要為各模擬電路模塊等進(jìn)行供電。在本設(shè)計(jì)中，電路中同時(shí)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(hào)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(hào)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(shí)鐘。芯片內(nèi)部時(shí)鐘在上電運(yùn)行過(guò)程中由于發(fā)熱等其他因素造成溫度影響較大，精準(zhǔn)度受其影響會(huì)降低，采用外部高速時(shí)鐘能有效解決精度不準(zhǔn)問(wèn)題。其中34、37號(hào)引腳為SWDIO和SWCLK的接口，是用于SWD串行調(diào)試所必須的時(shí)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(jì)。

第4章現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)組簇的簇首節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)51（1）時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)是微控制器正常運(yùn)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(gè)外設(shè)的正常使用提供周期性脈沖驅(qū)動(dòng)，按照一定的時(shí)序，高速運(yùn)轉(zhuǎn)并有效進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運(yùn)算。在MCU中時(shí)鐘系統(tǒng)就像人的心臟一樣，給系統(tǒng)一個(gè)脈搏一樣一個(gè)穩(wěn)定的工作時(shí)間基準(zhǔn)，重要性不可言喻。STM32的時(shí)鐘從來(lái)源可分為內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘，從運(yùn)行速度可分為低速時(shí)鐘和高速時(shí)鐘。其時(shí)鐘分類如表4-2所示。表4-2芯片時(shí)鐘分類Table4-2Chipclockclassification時(shí)鐘速度內(nèi)部時(shí)鐘外部時(shí)鐘高速時(shí)鐘HSIHSE低速時(shí)鐘LSILSE本文設(shè)計(jì)的令牌組簇的ZigBee簇首節(jié)點(diǎn)使用高速外部時(shí)鐘（HSE）作為微控制器的時(shí)鐘源。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)參考AN2867STM振蕩器設(shè)計(jì)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(gè)重要的參數(shù)，即負(fù)載電容值。負(fù)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(fù)載電容值計(jì)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(xué)工程碩士學(xué)位論文52本文設(shè)計(jì)的HSE高速晶振時(shí)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(hào)引腳OSC_IN和6號(hào)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(hào)引腳和5號(hào)引腳。Y2為芯片提供的時(shí)鐘頻率，提供給RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。低速外部時(shí)鐘（LSE）電路設(shè)計(jì)如圖4-6所示。圖4-6低速外部晶振工作電路Figure4-6LSEworkingcircuit（2）復(fù)位電路組簇的簇首節(jié)點(diǎn)復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位設(shè)計(jì)，在上電運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)外部按鍵操作，完成節(jié)點(diǎn)從當(dāng)前程序運(yùn)行的狀態(tài)恢復(fù)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(fù)位，長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行中不需要復(fù)位操作。
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 鐘景川;祁杰;李保申;陳奮曉;屠晨峰;張萌;;聯(lián)合信道網(wǎng)絡(luò)編碼研究綜述[J];電子器件;2014年02期

2 G.P.Basharin;李德曼;;七號(hào)信令信道網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲分析[J];通信技術(shù);1988年01期

3 G.P.Basharin;李德■;;七號(hào)信令信道網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲分析[J];通信技術(shù);1989年01期

4 路嫣茹;姚建國(guó);;采用LDPC碼的分布式聯(lián)合信源信道網(wǎng)絡(luò)編碼[J];電視技術(shù);2016年04期

5 李莉;;多信道網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)[J];電腦學(xué)習(xí);2009年05期

6 周權(quán);周小東;;基于簇首節(jié)點(diǎn)的可信傳感器網(wǎng)絡(luò)路由[J];傳感器與微系統(tǒng);2008年10期

7 覃德澤;;基于模擬退火的多射頻多信道網(wǎng)絡(luò)的路由算法[J];中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào);2011年02期

8 劉琳;黃艷;于海斌;;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中高能力簇首節(jié)點(diǎn)部署問(wèn)題[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2010年07期

9 唐延枝;李莉;邵瑋璐;梁燕;彭張節(jié);;一種基于能量和密度的低功耗自適應(yīng)集簇分層協(xié)議的優(yōu)化[J];上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2019年01期

10 于盼龍;周安德;李庭芳;;一種市域車輛平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào);2019年10期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前6條

1 郭良振;ZigBee多信道網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度方法研究[D];西南大學(xué);2020年

2 姜鵬;APT攻擊下的C&C加密信道網(wǎng)絡(luò)行為分析與檢測(cè)[D];上海師范大學(xué);2018年

3 路嫣茹;分布式聯(lián)合信源信道網(wǎng)絡(luò)編碼[D];南京郵電大學(xué);2016年

4 白旭;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗均衡路由算法研究及應(yīng)用[D];哈爾濱理工大學(xué);2018年

5 陳相睿;基于分簇路由的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法研究[D];昆明理工大學(xué);2018年

6 王麗萍;無(wú)確認(rèn)機(jī)制下非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的事件觸發(fā)器設(shè)計(jì)[D];鄭州大學(xué);2019年

本文編號(hào)：2865626