一種基于CAN總線和ZigBee技術的測控系統設計

陳海成

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

ZigBee無線技術在環境、家庭、軍事及其他一些領域中有著廣闊的應用前景，其充分考慮了無線網絡的應用需求，是目前業界普遍看好的一種無線網絡技術。CAN總線技術，早就因為其突出的優點在現場總線領域中得到了廣泛的應用，已經被公認為是最有前途的幾種現場總線技術之一。而PC機技術發展到今，其強大功能已不容質疑。因此，把CAN、ZigBee和PC技術結合在一起開發出一個無線傳輸測控系統無疑是一個非常值得研究的應用課題。該系統與ZigBee無線監控網絡系統相比，當監控對象成區域密集分布時，能明顯降低成本，提高抗干擾能力。

1 ZigBee和CAN技術

1.1 ZigBee 技術

ZigBee是一個低功耗、短距離、低速率協議標準。ZigBee聯盟制定網絡層和應用層協議并幾乎完全沿用IEEE 802.15.4的物理層和MAC層而形成ZigBee協議標準。ZigBee器件的最大通信速率為250 Kb/s，通信距離范圍為10 m～75 m，通過增加2.4 G天線功率放大器可以擴充其通信距離到數公里。ZigBee網絡支持MESH型拓撲結構，具有自動配置、自動組網、自愈的功能，且是多跳路由網絡，其制定之初就是為了滿足無線傳感網絡的需求[1]。

1.2 CAN 技術

CAN(Controller Area Net)總線，又稱控制器局域網，屬于現場總線。它是一種有效支持分布式實時控制的串信網絡，具有通信速率高、結構簡單、成本低、可靠性高、抗干擾能力強等特點。CAN總線最初被應用在汽車技術中，現在已經被廣泛應用于工業現場控制[2]。

2 系統總體架構設計

系統總體結構如圖1所示。CAN節點的主要工作是采集控制對象的狀態信息并發送到CAN總線上，從CAN總線上接收從PC機發送到本節點的命令并執行。CAN協議轉ZigBee協議模塊一端連接CAN總線，一端連接到ARM無線模塊，實現ARM無線模塊間的通信，因此需要進行CAN協議與ZigBee協議之間的相互轉換。ZigBee無線節點完成數據的無線通信。USB和串口協議轉ZigBee協議模塊在PC機與ZigBee網絡之間提供1個接口以實現它兩者間的通信。PC機對CAN節點傳過來的數據信息進行處理，并發出相應的控制命令。

圖1 系統總體結構圖

3 系統各部分結構設計

3.1 CAN結點設計

設計的CAN監控節點結構如圖2所示，監控的對象是設備的溫度和輸入電壓。設備溫度信息采集用高精度TLC2543 A/D轉換器完成。控制部分的芯片采用數控電位器X9221，可隨時通過PC機發出控制命令來改變電位器X9221滑動端的阻值以控制設備電壓的大小。

圖2 CAN節點結構原理圖

SJA1000和82C250的硬件電路設計和軟件編程必須與應用相結合，在存在較大外部干擾的情況下，必須加入隔離器以實現總線與各個節點的隔離，提高系統的抗干擾能力。本系統CAN節點的硬件電路設計中加入了6N137光電隔離器，由單獨的隔離電源輸出為其提供電源，這樣可很好地起到抗CAN總線干擾的效果。82C250的斜率電阻選取47 kΩ的阻值，經測試在 500 Kb/s～1 Mb/s總線速率下可以滿足需求。同時為節省電能，CAN總線上的各個節點和各個無線傳輸節點遵循睡眠—喚醒—正常工作—睡眠的工作方式。各個節點在系統空閑時進入睡眠模式，有任務需要執行時從睡眠中喚醒，以盡可能地節省電能，延長各個節點電池的使用時間。CAN終端電阻采用分裂式設計，總線兩端各接2個60 Ω電阻，并在這2個電阻中間通過電容接地；CAN_L和CAN_H與地之間并聯2個30 pF電容以濾除來自總線的高頻干擾。

3.2 ZigBee無線節點設計

ZigBee無線節點部分硬件采用STR911搭配ZigBee無線芯片CC2480。STR911與CC2480采用串口進行通信，速率為115 Kb/s，并且啟用串口硬件流量控制以提高數據傳輸的可靠性。在本系統的所有硬件電路設計中，該部分是難點也是重點，包括 STR911與CC2480的接口設計和OLCD液晶屏接口設計。

無線節點的控制器之所以使用ARM控制而不用單片機，除了因為ARM控制具有單片機無法比擬的速度外，還因為ARM控制具有大容量的RAM空間，可保存運行過程中產生的大量數據。本系統的無線節點軟件設計中，在STR911的RAM空間內設置了數據緩存區，若在同一時間發送到某個無線節點的數據量過多，而該無線模塊又不能全部直接轉發出去時，為了防止數據丟失，必須設置1個數據緩存區，暫存不能發出去的數據。數據的轉發順序遵循隊列原則，即先收先轉發。當系統超過一定時間處于無數據傳輸狀態時，ARM無線模塊將進入睡眠模式以節約電能。

3.3 CAN轉ZigBee模塊設計

該部分在CAN總線與ARM9控制芯片之間搭起一座通信橋梁，作為兩者的通信接口。CAN總線上掛載的各個結點通過該接口將數據傳到ARM9控制器，ARM9控制器通過控制CC2480將數據進無線傳輸。接口的通信速率設定為115 Kb/s，可以與無線模塊匹配。該部分的結構原理圖如圖3虛線中的部分所示。

圖3 CAN與ARM接口卡

3.4 USB和串口轉ZigBee模塊設計

該部分主要完成由RS232總線協議到ZigBee協議或由USB協議到ZigBee協議的轉換，在PC機與ZigBee無線網絡之間提供1個通信接口。串口通信速率最高可以達到 230 Kb/s，USB接口符合全速 USB 2.0規范，通信速率設為512 Kb/s[3]。目前，串口是計算機中常用的通信方式，其協議簡單，實時性好，適合于低速通信的場合。但是，現在的很多計算機上已經不再配有串口，所以為了該系統具有更廣的適用性，本系統同時開發了HID USB接口，在集成了USB控制器2.0及以上版本和帶有HID驅動的計算機上可以即插即用，數據傳輸采用中斷方式同樣具有很好的實時性。

4 系統布局

針對設備不同的分布特點需要調整系統布局，以最少硬件設備和最低的成本實現系統的功能，這就是所要遵循的布局原則。首先將設備所在的范圍劃分為若干區域，位于同一處相隔近的設備劃分在同一區域內。劃分好區域后再分析區域的分布特點，若相鄰的區域間距較近，可以共用同1條CAN總線；若相鄰區域間隔較遠，那么每一個區域可以設置1條CAN總線。如面圖4所示的設備分布，是單一區域設備集中分布在同一個區域后的最佳布局系統。若設備的分布特點如圖5所示，設備集中分布于多個區域，則圖5中的布局方式便是多區域設備集中分布下最佳的系統布局。系統究竟該如何布局，應結合前面提到的最佳布局原則和系統的特性，根據具體的應用需求分析得到。

圖4 單一區域設備集中分布下系統布局

5 上位機軟件的設計

上位機控制軟件由VC 6.0開發完成，負責向用戶提供一個人機接口界面。控制軟件的主要任務是實時地接收和處理數據，發出控制指令。其要實現的基本功能有：控制CAN總線的各個節點采集所需的環境變量數據并在前臺顯示；設置設備的通電起始運行狀態；對設備的運行狀態和連接狀態進行實時跟蹤并在前臺顯示，并根據需要實時調整各設備狀態；

圖5 多區域設備集中分布下系統布局

上位機軟件設計具有錯誤檢測和重傳的功能，并能最終判定是否正常連接到系統。這是提高系統可靠性的有力保證。每次從PC發送數據到節點都要求相應節點在收到來自PC機的命令后回復應答信號，PC機再對收到的應答進行錯誤檢測并判斷其正確性。若應答有誤或超時無應答則啟動重傳，最后根據應答情況判斷設備是否正常連接。

6 與ZigBee無線測控網絡的比較

6.1 數據傳輸速率與延時

圖6 典型ZigBee無線測控網絡結構圖

一般的ZigBee無線測控網絡結構如圖6所示[4]。

在ZigBee無線測控網絡中，每一個設備對應需要配置1個ZigBee測控終端。而在本文設計的ZigBee無線傳輸測控網絡中，每一個設備對應配置1個CAN總線節點，由節點完成對設備的測控工作。

相對于其他幾種無線傳輸技術(如UWB、BlueTooth和Wi-Fi)，ZigBee傳輸速率最小，理論上最大只有250 Kb/s[5]，而CAN總線的最高通信速率高達1 Mb/s，遠遠大于ZigBee的250 Kb/s。因此，即便CAN總線上掛載有多個節點，其單個節點的傳輸能力也與ZigBee無線傳輸能力相當。

另外，ZigBee無線傳輸時延一般在 15 ms～30 ms之間[6]，而CAN總線上優先級最高的節點發送的報文在134 μs內就可以得到傳輸[2]。當CAN總線上的節點數目較少時，實際上CAN總線上的每1個節點在需要發送報文時，其報文在134 μs內就可以得到傳輸。這樣，相對ZigBee無線傳輸而言，CAN節點發送數據的時延要低得多。

6.2 成本與復雜度

在成本方面，CAN節點可以選用AT89S51+SJA1000+6N137+82C250的組合，這些芯片價格都是在幾元到十幾元之間，再加上電源隔離模塊，成本總共不會超過50元，而單個ZigBee無線芯片的售價都在50元以上，再加上天線等其他物品，顯然，單個CAN節點的成本明顯低于單個ZigBee無線節點。

在復雜度方面，CAN總線結構簡單也是其廣泛應用的原因之一，只需要在單屏蔽層雙絞線各終端上加個120 Ω的電阻即可構成CAN總線，各個節點只需一個T型連接頭便可方便地掛載到CAN總線上。由此可見，CAN總線網絡的復雜度與ZigBee無線網絡的復雜度幾乎只有幾根線的差別。

本文介紹的結合CAN總線的ZigBee無線網絡傳輸測控系統，集成了CAN、ZigBee和PC技術各的自優點，適合應用于要求用無線進行數據傳輸，但數據傳輸速率不高、實時性要求相對較高、設備集中分布或分區域集中分布的測控場合。同時，該系統還具有可靠性高、結構簡單、抗干擾能力強、功耗低等優點。其相對于ZigBee無線測控網絡成本低、時延更小，而且具備無線網絡傳輸數據的優點，是一個非常經濟實用的測控系統。在一些具體的應用中，技術人員可以結合自己的要求對系統硬件和軟件做出相應的修改。

除了利用ZigBee進行無線傳輸和開發出基于Zig-Bee技術的無線采集網絡外，還可以把ZigBee無線網絡作為不同總線互連的無線接口網絡，只需進行相關的協議轉換設計出相互通信的上層協議。

[1]FARIBORZI H，MOGHAVVEMI M.EAMTR：energy aware multi-tree routing for wireless sensor networks[J].Communications IET，2009，3(5)：733-739.

[2]王黎明，夏立，邵英.CAN現場總線系統的設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[3]蕭世文，宋延清.USB 2.0硬件設計[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4]MAHFUZ M U，AHMED K M.A review of micro-nanoscale wireless sensor networks for environmental protection prospects and challenges[J].Science and Technology of Advanced Materials， 2005(6)：302-306.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[6]ZigBee Specifacation[EB/OL].http://www.ZigBee.org 2006.