汽車試驗是發(fā)現汽車設計開發(fā)中各種問題的重要手段，依據試驗結果能對汽車各種性能做出客觀的評價,。作為汽車工業(yè)的基礎工程之一，汽車試驗在汽車工業(yè)的整體發(fā)展中發(fā)揮了重要作用,。汽車性能測試系統(tǒng)是汽車試驗工程的關鍵組成部分，它是由若干相互聯系、相互作用的傳感器和儀器設備等元件，為實現對汽車各項性能的測試而組成的有機整體,，汽車測試系統(tǒng)的性能往往對整個汽車試驗的效用產生重要影響。現有的汽車測試系統(tǒng)多采用有線連接,，該方式存在2個弊端：1)汽車試驗需在大型專用試驗場或典型地域等惡劣環(huán)境中進行,，現場布線任務繁瑣且易出錯,；2)一些汽車試驗如蛇形試驗具有高危險性，對能夠減少試驗損失的測試系統(tǒng)更為重要,。該系統(tǒng)以Cygnal公司的C8051F020單片機為控制核心，基于Zigbee無線網絡技術設計例如多通道數據綜合采集系統(tǒng),，它利用較少的外圍器件實現汽車試驗中性能參數的測試,，縮短了現場布線時間，提高了試驗效率,，且在試驗事故發(fā)生時減少事故損失,。
1 系統(tǒng)總體結構設計
汽車試驗主要包括動力性能、燃油經濟性,、操縱穩(wěn)定性和排放特性等測試項目,，主要性能參數有速度、加速度,、燃油消耗量,、溫度以及操縱穩(wěn)定性試驗中的動態(tài)運動參數等，通過傳感器得到的這些參數的測試信號,，經過前端處理模塊處理(整形,、濾波、放大等)后送入C805l-F020微處理器中,，在單片機內部進行模數轉換和數據處理后通過串口實現與Zigbee終端節(jié)點的連接,，再由終端節(jié)點在WLAN中將數據發(fā)出，Zi-gbee中心節(jié)點接收到數據后經串口與上位機進行通訊,。中心節(jié)點也可將上位機的命令發(fā)送給終端節(jié)點,，控制終端節(jié)點執(zhí)行。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示,。
2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 前端處理模塊
傳感器將各種常見的非電量信號轉換為電量信號,，一般都較微弱，前端處理模塊將這些信號進行處理后送至單片機的A／D轉換端口,。本系統(tǒng)共有8路傳感器信號,，包括2路壓變傳感器信號、2路-5～+5 V電壓信號,、2路4～20 mA電流信號和2路熱電偶信號的前端處理,。其中壓變傳感器信號和熱電偶信號前端處理硬件電路分別如圖2和圖3所示。
AD620是一款低成本,、高精度儀表放大器,，僅需1個外部電阻設置增益，增益范圍為l～10 000,。對壓變傳感器信號的前端處理采用AD62-0,、AD705組成的放大電路,，該部分采用單電源供電，AD705是電壓跟隨器,，為AD620提供輸出電壓的零點,。將VREF、AGND送至MCU的8位精度AD-Cl的AINl．0,、AINl．1端口,，利用軟件程序實現該路信號的參考電壓和模擬地的計算。
熱電偶傳感器用來測量汽車關鍵部件溫度,，其前端處理電路采用OP07的可調增益放大電路,。OP07是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路,，具有非常低的輸入失調電壓,，低失調、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等,。在對精確度要求不高的場合,，OP07的失調電壓可忽略，該電路中R25和R24用來調整系統(tǒng)放大倍數,，在選用不同類別的熱電偶時可適當調整兩者的阻值,。
2．2 C8051F020模塊
C805lF020是Cygnal公司的一種混合信號SOC型8位單片機，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU器件,，具有64個數字I／O引腳,。該單片機采用高速805l微控制器內核，速度可達25 MI／s,，具有8個I／O口,，5個通用定時器，5個捕捉／比較模塊及專用看門狗定時器,，可同時使用SM-Bus,，SPI及2個UART串口，內置64 kB高速存儲器,。模擬外設方面,，器件具有1個12位A／D轉換器，1個8位A／D轉換器,，2個12位D／A轉換器及2個模擬比較器,。器件內部的這些數字和模擬外設使系統(tǒng)的設計更簡單，集成度更高,。
本模塊主要設計C8051F020的復位電路,、外接晶振電路和接地處理，并將所有引腳引出，以便擴展應用,。系統(tǒng)需要高速運行才能及時,、有效地進行數據采集，所以單片機在一般情況下采用內部振蕩器作為時鐘源,。但由于內部時鐘的誤差太大,，在串口通訊的過程中，要選用外部時鐘,，通過軟件設置可以實現內外時鐘的切換,。在電源處通過去耦電容接到模擬地上，可以減少干擾回路的面積,，降低電磁干擾輻射，可以把數字電流引起的干擾耦合到地,，而不在外部電路的地中出現,。為了使電容耦合最小，兩者沒有交迭,，2個獨立的地在電源的公共“星”型地處通過瓷珠接到一起,，電源處也采用類似處理以防止干擾。
2．3 Zigbee節(jié)點模塊
本文研究的汽車測試系統(tǒng)初步采用2個終端節(jié)點和1個中心協調器組成星狀網的拓撲結構,，3個節(jié)點均選用SZ05-ADV型無線收發(fā)模塊,，Zig-bee終端節(jié)點和中心節(jié)點通過標準串口分別與C8051F020模塊和PC設備相連接，實現數據的無線傳輸,。SZ05-ADV是高性能嵌入式無線收發(fā)模塊,，其核心器件是Freescale公司的MCl3213。它是第2代標準ZigBee無線通信平臺,，在9 mmx9 mmxl mm 7l引腳LGA封裝中集成有低功耗的2．4 GHz RF收發(fā)器和8位微控制器,，MCl3213器件具有60 kB的閃存，MCl32lx解決方案能在簡單的點對點連接到完整的ZigBee網狀網絡中用作無線連接,，小占位面積封裝中的無線電收發(fā)器和微控制器的組合使其成為成本效益的解決方案,，MCl321x中的RF收發(fā)器工作在2．4 GHzISM頻段，和802．15．4標準兼容,，收發(fā)器包括低噪音放大器,，1 mW的RF輸出功率，帶VCO的功率放大器(PA),，集成的發(fā)送／接收開關,，板內的電源穩(wěn)壓器以及完全的擴展頻譜的編碼和譯碼，MCl32lx中的微控制器基于HCS08系列微控制器單元(MCU),，HCS08 A版本,，高達60 kB的閃存和4 kB的RAM。
SZ05-ADV嵌入式無線通信模塊集成有符合ZIGBEE協議標準的射頻收發(fā)器和微處理器，其數據接口包括：TTL電平收發(fā)接口,、標準串口RS2-32數據接口,，可以實現數據的廣播方式發(fā)送和目標地址發(fā)送模式。除可實現一般的點對點數據通信功能外,，還可實現多點之間的數據通訊,。其模塊連接電路如圖4所示。DATA,、RUN,、NET、ALARM為SZ05-ADV無線通信模塊的4個工作狀態(tài)指示端口,，分別是數據收發(fā),、系統(tǒng)運行、網絡狀態(tài)和告警,。SLEEP引腳用來控制系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài),，低電平進入低功耗，高電平或懸空正常運行,。
485CTL引腳是485收發(fā)控制,，模塊485接收時低電平輸出，發(fā)送時高電平輸出,。CENTER,、DEVICE引腳是節(jié)點功能配置接口，均為低電平有效,，或分別與引腳TIao7,、TIao8接跳線帽實現，如這2個引腳都為高電平或懸空則為路由節(jié)點,。CONFIG引腳是配置接口,，低電平有效，或加跳線帽,，可在超級終端中進入系統(tǒng)配置狀態(tài),。模塊標準工作電壓為DC-5V，正常工作電壓范圍為5～12V,。數據接口有RS-232和TTL收發(fā)2種接口模式,。RS-232串口為TX2、RX2,、SGND三線工作模式,，TTL為TX1、RXl兩線工作模式,，TTL電平為3．3V,。RESET進入低電平狀態(tài)3s,，系統(tǒng)進入配置狀態(tài)，高電平或懸空狀態(tài)則進入工作狀態(tài),。
無線通信網絡節(jié)點按功能可分為中心協調器,、路由器和終端節(jié)點，中心協調器是網絡的中心節(jié)點,，負責網絡的發(fā)起組織,、網絡維護和管理功能；路由器負責數據的路由中繼轉發(fā),，終端節(jié)點只進行本節(jié)點數據的發(fā)送,。在該系統(tǒng)中，可以預先在計算機超級終端中對無線模塊進行節(jié)點類別,、節(jié)點名稱和地址,、無線頻點、網絡ID,、波特率和數據類型的配置,，配置正確后在上電時可以自動組成網絡。
3 軟件設計
系統(tǒng)程序開發(fā)采用C805lF系列單片機的專用集成開發(fā)環(huán)境Silicon Laboratories IDE,，配置使用Keil C5l的匯編器、鏈接器和編譯器,。利用C5l開發(fā)程序有利于系統(tǒng)程序的模塊化以及增加其可移植性,，并能降低開發(fā)周期。系統(tǒng)軟件由主程序和A／D轉換,、數據處理和通信這3個子程序組成,，其中主程序部分包括系統(tǒng)初始化、調用A／D轉換,、數據處理,、串口發(fā)送等子程序。初始化部分包括：看門狗模塊初始設置,、系統(tǒng)時鐘及復位源的設置,、I／O端口初始化、串行通信接口初始化,、A／D轉換的初始化及定時器初始化等,。ADC0的最高轉換速度為。100 ks／-s,，其轉換時鐘來源于系統(tǒng)時鐘分頻,，分頻值保持在寄存器ADCOCF的ADCSC位。在該片上系統(tǒng)中需要采集8個通道,，將采樣頻率設置為50 000次／s,。選用的ADCO轉換啟動方式為定時器3溢出(即定時的連續(xù)轉換)方式。
4 試驗
在Silicon Laboratories IDE中將程序通過U-EC2專用編程器燒寫入C805117020后，將各個模塊連接進行調試,，如圖5所示,。8路傳感器信號(包括2路壓變傳感器，2路-5～+5 V信號,，2路4～20 mA信號和2路熱電偶信號)經前端處理后送至MCU,，經A／D轉換和數據處理后通過串口輸出到Zigbee終端節(jié)點并在無線網絡中按目的地址模式或廣播模式發(fā)送，Zigbee中心協調器與上位機通過標準RS232串口連接,，可以在超級終端或串口調試器中查看收到的數據,。本研究側重于實驗開發(fā)，電源模塊可采用將常見的220 V轉雙9 V變壓器,，經整流橋后,，由LM7805、LM7905穩(wěn)壓輸出-5 V和+5 V的結構(3．3 V電壓可由AMSlll7模塊轉換后得到),，實際應用中可設計專門的電源模塊以方便使用,。試驗結果表明，系統(tǒng)可以實現2個終端節(jié)點的各自8路傳感器數據采樣,，Zigbee無線網絡運行正常,，在超級終端中可以看到試驗的實時數據。
5 結束語
本文設計的基于C805lF020和Zigbee無線網絡的汽車測試系統(tǒng)實現了汽車試驗中數據的無線傳輸,，從而簡化了試驗現場布線,，提高了試驗效率，一旦試驗事故發(fā)生,，損失也大大減少,，實驗證明了該系統(tǒng)取代傳統(tǒng)汽車測試系統(tǒng)的可行性，同時系統(tǒng)的擴展也比較容易,，可以實現更多功能,。本研究側重于Zigbee無線網絡的應用開發(fā)，可為Zigbee技術在傳感器網絡中的應用提供一定的參考,，但局限于軟件程序系統(tǒng)和試驗的電磁干擾,，該系統(tǒng)的同步機制和抗干擾性能有待于進一步研究。