ZigBee多信道网络控制系统的调度方法研究

发布时间：2020-11-01 13:48

　　 随着计算机控制技术和无线通信技术的不断进步,网络化控制系统(Networked Control System,NCS)也得以快速发展。当前,我国工业企业正逐步采用具有无线通信能力的智能终端设备,取代传统仪器仪表,以减少传统传输媒介限制,克服有线方式带来现场设备可能面临的旋转缠绕或者移动难题,解决可能遇到的现场环境恶劣致使人员无法到达的弊端情况。某仪表自动化公司为提升产品质量、扩大市场规模,降低开发成本,委托本论文研究者所在的实验室开发了一个低成本、小规模的ZigBee网络控制系统,该ZigBee网络控制系统可快速准确地完成节点的组网、组态和在线轮询功能,满足实际应用的需求。本论文在继承现有成果基础上,针对ZigBee网络控制系统,开展了新型网络系统拓扑设计,研发了多信道组簇新技术,增强了协调器与各簇首主从通信、簇内节点隐性令牌通信这两者之间的并行同步工作能力,提高通信效率,扩大了网络控制系统在线轮询的接入设备数,建立了面向应用的容错及健康诊断机制,提高系统的鲁棒性。本论文主要内容如下:1)系统设计。ZigBee网络化控制系统由上位机、协调器网关和令牌簇三部分组成,基于多信道分簇的技术思想进行系统框架方案设计。上位机通过工业以太网与协调器通信连接,协调器与令牌簇通过ZigBee无线模块进行通信。令牌簇结构包括一个簇首节点和多个簇内节点。簇首节点配置两个ZigBee模组,分别工作在不同的信道上,用于区别簇内通信和簇间通信,互不干扰。协调器与各簇间使用固定信道通信,严格遵守主从轮询通信;单个网络簇内则分配全网唯一数据通信信道,采用令牌通信。令牌组簇的思想在于,簇内节点自定义协议组网,将簇内各智能设备节点之间的通信机制改造成隐形令牌传输机制,收到轮询请求命令的簇内节点抢占令牌,获得簇内信道使用权,将采样数据与请求命令打包作为新的令牌传递给簇内下一个指定节点,完成簇内节点数据逐一向后传递,同时释放令牌使用权。采用隐形令牌通信机制,与点对点主从通信相比,减少数据通信传递次数,并且去除冗余的报头报尾,提高网络带宽资源利用率;簇内通信、簇间通信各自独立,可同步进行,互不影响。结合网络控制系统令牌簇技术,设计相应的容错和健康诊断机制,令牌簇内节点发生故障,响应超时,簇内下一指定节点依自定义协议组帧作为令牌定时触发、主动上传,避免簇内节点故障造成该簇崩溃,保障系统鲁棒性。2)硬件设计。完成簇首节点硬件方案设计,能够使多信道网络控制系统令牌组簇通信正常运行。为满足簇首节点和令牌组簇网络的工作性能,同时基于功耗和成本考虑因素,选取STM32F072作为MCU主控制芯片;设计簇首节点最小系统电路作为网络控制系统多信道组簇技术能够正常实现的基础;设计ZigBee、USART串口通信和USB串口调试的硬件接口电路,用于实现通信及在线调试功能;为提高数据采样速度、精度及数据准确度,采用片外ADC芯片并设计相应外围电路;使用MCU片内FLASH的存储能力进行网络控制系统令牌簇的簇成员和数据管理。3)软件开发。完成网络控制系统多信道资源分配和令牌组簇的各个功能模块的程序编写与实现。主要包括协调器节点协议转换与数据转发,令牌簇内节点数据通信收发协议的制定与实现;借助协调器协议转发功能,上位机对令牌簇内节点组网组态参数配置;根据数据实时性优先级不同,进行通信调度策略的设计实现;令牌簇内的容错机制设计,通过协议自定义建立的隐形令牌和协议帧头记录的健康节点ID值范围,实现了系统的健康诊断,并使用定时触发、主动上传的设计思想,解决了因节点损坏,后续节点无法上传数据的问题。4)实验验证。通过将上位机与协调器网关、令牌簇的簇首节点及簇内采样节点构建一个完整的实验平台,在平台上完成系统联调,测试,以及系统运行测试改进,完成项目开发;针对本文设计的多信道组簇和网络容错机制和健康诊断进行测试,并对实验结果进行分析,验证了ZigBee多信道网络控制系统各项功能的正确性和有效性,能够满足实际需要,具有较好的应用推广价值。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP273;TN92
【部分图文】：

西南大学工程硕士学位论文50图4-3ZigBee簇首节点主芯片电路Figure4-3ZigBeecluster-headnodemainchipcircuit7号引脚为芯片异步复位电路接口，将NRST引脚拉低电平,MCU处于复位状态,重设片内所有内部寄存器,及片上16KB的SRAM。当NRST从低电平变高时,PC指针从0开始。23、35、47号引脚为数字供电的公共接地端电压地信号。8、9号引脚为模拟电路部分输入的电压正端和地，微控制器使用VDDA电压值作为AD（模数）或者DA（数模）的参考电压。为保证精准度，须设计稳压电路，再接入VDDA主要为各模拟电路模块等进行供电。在本设计中，电路中同时存在数字电路和模拟电路，模拟供电与数字供电选择同一电源，须使用150R@100Mhz参数的磁珠或者零值电阻隔离数字地和模拟地。5、6号引脚为外部高速石英晶振(HSE)的接口，STM32F072CBT6微控制器芯片采用8Mhz石英晶振，3、4号引脚为外部低速晶振的接口，采用32.768Khz外置晶振用于低速外设设备提供时钟。芯片内部时钟在上电运行过程中由于发热等其他因素造成温度影响较大，精准度受其影响会降低，采用外部高速时钟能有效解决精度不准问题。其中34、37号引脚为SWDIO和SWCLK的接口，是用于SWD串行调试所必须的时钟线和数据线。以上引脚是保证芯片正常工作的最少外部资源，以下为最小系统中各部分模块电路设计。

第4章现场测控节点组簇的簇首节点硬件设计51（1）时钟系统时钟系统是微控制器正常运行的关键基础，芯片接入外部高速晶振(HSE)，经芯片内部分频倍频完成转换为芯片内核和多个外设的正常使用提供周期性脉冲驱动，按照一定的时序，高速运转并有效进行数据处理运算。在MCU中时钟系统就像人的心脏一样，给系统一个脉搏一样一个稳定的工作时间基准，重要性不可言喻。STM32的时钟从来源可分为内部时钟和外部时钟，从运行速度可分为低速时钟和高速时钟。其时钟分类如表4-2所示。表4-2芯片时钟分类Table4-2Chipclockclassification时钟速度内部时钟外部时钟高速时钟HSIHSE低速时钟LSILSE本文设计的令牌组簇的ZigBee簇首节点使用高速外部时钟（HSE）作为微控制器的时钟源。时钟电路设计参考AN2867STM振荡器设计指南，如图4-4[56]所示。图4-4晶振电路参考图Figure4-4Crystaloscillatorreferencecircuitdiagram晶振有一个重要的参数，即负载电容值。负载电容值由外置电容CL1和CL2以及杂散电容决定。晶振匹配的负载电容值计算形如式4-1：1212LLLSLLCCCCCC=++(4-1)其中，CL1和CL2是晶振旁边的两颗外接电容，CS是杂散电容值。

西南大学工程硕士学位论文52本文设计的HSE高速晶振时钟电路如图4-5所示。Y1的8M晶振1和2两端两条线分别与STM32F072CBT6的5号引脚OSC_IN和6号引脚OSC_OUT相连接,经STM32F072CBT6内部倍频器和分频器的共同作用，将SYSCLK主频提升高至48Mhz。C9和C10为外置高速晶振能正常工作的起振电容，R6为晶振增益裕量等效电阻值(Gainmarginvalue)。图4-5高速外部晶振工作电路Figure4-5HSEworkingcircuitY2的32.768K晶振1和2两端两条线分别与STM32F072CBT6的4号引脚和5号引脚。Y2为芯片提供的时钟频率，提供给RTC实时时钟模块。低速外部时钟（LSE）电路设计如图4-6所示。图4-6低速外部晶振工作电路Figure4-6LSEworkingcircuit（2）复位电路组簇的簇首节点复位电路采用按键复位设计，在上电运行过程中，通过外部按键操作，完成节点从当前程序运行的状态恢复到上电初始状态。在程序下载以及代码调试阶段用于复位，长时间正常运行中不需要复位操作。
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本文编号：2865626