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基于ZigBee协议的磁致伸缩位移传感器的设计

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2020-06-01 11:29

  

1、概述
      伴随无线传感器网络的迅猛发展,ZigBee技术作为最近发展起来的一种短距离无线通信技术,以其低功耗、自组织、安全可靠、支持大量节点等优势,其应用越来越广泛。ZigBee协议磁致伸缩位移传感器,是基于磁致伸缩原理作为测量原理,具有非接触式测量,高精度、高重复性等优点。相对于传感器有线位移传感器而言,ZigBee协议磁致伸缩位移传感器无线传输的特点能有效的解决现场布线困难的问题,例如,有些易燃易爆的工业环境禁止使用电缆,有些工业环境必须将电缆完全屏蔽以防止外界干扰,还有一些工业设备在高速移动中无法通过电缆来传输数据信息。
2、工作原理
2.1磁致伸缩原理
       电子电路产生一个起始脉冲,此起始脉冲沿波导丝以恒速传输,同时产生了一个沿着波导丝跟随起始脉冲前进的旋转磁场,当这个旋转磁场与磁环中的永久磁场相遇时,产生磁致伸缩效应,使波导丝发生扭动,这一扭动波被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成响应的终止脉冲,通过计算起始脉冲与终止脉冲之间的时间差,即可精确测出其位置量。
2.2ZigBee协议
       ZigBee协议是在IEEE802.15.4标准基础上建立的,定义了物理层(PHY层)和媒介层(MAC层)。
1)物理层(PHY层),ZigBee协议可使用2.4GHz、915MHz和868MHz频段,这些频段均为免费开放使用,可实现20-250kbps的传输速率。传输范围一般介于10-100m之间,在增加发射功率后,可增加到1-3km。
2)媒介层(MAC层),主要是沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式,以提高系统兼容性。CSMA/CA在传输之前,会先检查当前信道是否有数据传输,若信道没有被占用,则开始传输数据,若是产生冲突,则等信道空闲后,重新再传。
       ZigBee联盟在此基础上对其网络层(NWK层)以及应用层(APL层)进行了标准化,APL层又包括应用支持子层(appli-cation support sub-layer AP),ZigBee的设备对象(ZigBee de-vice object ZDO)以及制造商定义的应用对象。
3、传感器设计
3.1硬件设计
      硬件主要由4部分组成,测量电路、信号处理电路、RF收发器及供电模块。其中测量电路主要由放大电路、信号整形电路组成。电路对拾能机构产生的信号进行放大,浸入MUC进行信号处理,得到位移值。 RF收发器MRF24J40,与MCU的SPI口连接,将数字现货通过无线传输方式发送到主机或控制器上,使用休眠模式,有效降低功耗。无线模块输入端可使用DC-DC模块或电池,其宽电压范围输入允许12VDC-24VDC输入,并且具有防反接及短路保护等功能。
磁致伸缩位移传感器
3.1.1测量电路
      测量电路包括耐冲激励发生电路、放大电路、信号整形电路。信号放大电路采用LMH6612运算放大器,组成差分放大电路,可有效一致共模干扰。当激励脉冲通过波导丝传播,产生磁致伸缩效应后,扭转波通过拾能机构输出微弱电流信号IEo。再经过放大电路以及由逻辑器件组成额信号整形电路,产生MCU可以处理的脉冲信号。
3.1.2RF收发器
       所采用的MRF24J40是符合IEEE802.15.4标准的RF收发器,他在单芯片解决方案中集成了PHY和MAC功能,大大的提高了设计效率与系统的可靠性、稳定性。该器件工作在频段2.405-2.48GHz,数据传输率为250kbps,支持ZigBee、MiWi、MiWiP2P和专有无线网络协议。其低功耗的特点可以有效的延长电池的工作寿命,RX模式:19mA(典型值),TX模式;23mA(典型值),休眠模式:2μA(典型值)。
       介质访问控制器(MAC)电路对数据包的接收和格式进行验证。数据缓存在发送和接收FIFO中。载波侦听多路访问-冲突避免、超帧构造器、接收帧过滤器和安全引擎功能都由硬件时间。安全引擎为具备CTR、CCM和CBC-MAC模式的AES-128提供硬件电路。
MUC与收发器通过4线串行外设接口(SPI口)进行连接,通过中断、唤醒和复位引脚对收发器进行控制。
3.1.3信号处理电路
       主控芯片采用MICROCHIP公司的PIC24FJ64GA104单片机,核心为16位改进型哈佛架构。CPU内核提供了多种增强功能,16位数据路径和24位地址路径,能在数据空间和存储空间之间传送信息。最大12MB(程序空间)和64KB(数据空间)的线性寻址。16个寄存器组成的工作寄存器阵列,支持内置软件堆栈。17位*17位硬件乘法器,支持整数数学运算,硬件支持32位/16位的除法运算。
3.2无线网络通信设计
3.2.1网络拓扑
3.2.1网络拓扑
       ZigBee网络支持星型,树形和网型三种网络拓扑结构。ZigBee协议磁致伸缩位移传感器采用网型网络,其有系统可靠性高,比较容易扩展等特点。允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连,由路由器中的路由表配合实现消息的网状路由。
3.2.2配置MRF24J40
       MUC通过SPI接口发送命令来配置RF收发器的各个参数,MRF24J40允许用户根据自己的需要选择不同的发射功率、通道号、RF工作模式及CCA模式等。MUC通过短地址和长地址两种寻址方式来访问RF收发器的储存器。通过长地址0*203来配置发射功率,具有0dBm最大输出(典型值)和36dB功率控制范围。通过长地址0*202,可选择不同的通道号。通过长地址0*22F,可选择外部功率放大器、LNA和RF开关的控制方式。通过短地址0*3A来选择CCA模式。
4、结语
       ZigBee协议磁致伸缩位移传感器,作为无线传输的新型位移传感器,与传统的有线传感器相比,其不用考虑现场布线的优点,将为复杂的工业现场环境提供有效的解决方案,在位移测量应用中会得到广泛的应用。
 


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