1、收稿日期:2009-03作者簡介:張興波(1974,男,工程師,主要從事科普、學術交流和電子技術工程等方面的研究。基于Zi g Bee 的機車蓄電池監測系統設計張興波(東營市科學技術協會,山東東營257091摘要:文章在研究Zig Bee 協議的基礎上,從蓄電池監測的實際需要出發,設計了一種具有實用價值的機車蓄電池在線監測系統。該系統采用AVR 單片機和CC2420無線通信模塊,通過自組織方式形成網絡,具有可靠性高、節點成本低、網絡可擴展性好等優點,可為機車安全運行提供技術保障。關鍵詞:Zig Bee;蓄電池;機車;節點中圖分類號:T M930文獻標識碼:B 文章編號:1006-2394(20

2、0908-0057-03D esi gn of a VR LA D etect System i n L oco m oti ve Ba sed on Z igBeeZHANG Xing 2bo(Dongying A ss ociati on for Science and Technol ogy,Dongying 257091,China Abstract:On the base of Zig Bee p r ot ocol,a p ractical VRLA detect syste m is designed according t o the actual require ments

3、.The l ow energy consump ti on MCU -AVR and wireless communicati on module CC2420are used in this syste m.It f or m s net w ork by wireless communicati on and has a high credibility,l ow cost and good extensi on .Theref ore,it p r ovides technical sur port for safety of the l ocomotive .Key words:Zi

4、g Bee;VRLA;l ocomotive;node0引言由于具有容量大、電壓穩定、免維護、無污染、無記憶效應、不腐蝕設備等特點,免維護鉛酸蓄電池已被廣泛應用于鐵路、通信、電力、航空航天等領域。免維護鉛酸蓄電池在鐵路機車上運用已有7、8年的時間,它作為機車控制電路的后備電源,主要為起動內燃機車柴油機和電力機車升弓受流前的準備工作提供電流,同時也為機車控制電路主電源故障時提供后備電源,維持機車故障運行。但是在機車上經過一段時間的運行后,免維護蓄電池陸續出現內部活性物質脫落、電解液干涸、極板變形、極板腐蝕、硫化和外殼變形等現象,導致容量降低甚至失效,引發機車機破,對鐵路運輸秩序造成了不良影響。本

5、文提出一種機車蓄電池在線監測系統設計方案,該方案采用A t m ega128L 作為主控制器,基于Zig 2Bee 技術搭建無線網絡,將采集的數據傳輸至主控制模塊,實時監測蓄電池性能。1Z i gBee 技術概述Zig Bee 是I EEE802.15.4的擴展集,是一種近距離、低速率、低功耗、低成本、短時延的雙向無線通信技術。Zig Bee 技術的主要特點包括以下幾個部分:(1數據傳輸速率低,只有10250kbit/s,專注于低速傳輸應用;(2功耗低,在低耗電待機模式下,2節普通5號干電池可使用6個月以上;(3成本低,因為Zig Bee 數據傳輸速率低,協議簡單,所以大大降低了成本;(4網絡

6、容量大,每個Zig Bee 網絡最多可支持255個設備;(5有效范圍小,有效覆蓋范圍1075m 之間,具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定;(6工作頻段靈活,使用的頻段分別為2.4GHz 、868MHz 歐洲及915MHz 美國,均為免執照頻段。2系統體系架構本監測系統由主控節點和采集節點組成,按功能劃分為:數據采集、網絡傳輸、數據轉儲、監測預警和調度管理。數據采集部分主要負責電壓的數據采集。網絡傳輸包含有線傳輸和無線傳輸,有線傳輸將采集的電壓752009年第8期儀表技術數據傳輸給采集模塊,無線傳輸將網絡節點的信息通過Zig Bee收發模塊傳輸到主控制模塊。調度管理通過Zig B

7、ee技術負責對采集模塊的節點I D號進行重新配置。監測預警功能由主控模塊完成,收集采集節點發回的電壓數據并通過LCD顯示。數據轉儲部分由US B模塊將采集的數據導入U盤,以便于地面分析軟件分析數據。3系統硬件設計3.1芯片選型處理器采用AVR單片機的A t m ega系列。主控節點采用A t m ega128L MCU,采集節點采用A t m ega16L MCU。A t m ega系列單片機顯著的特點是符合JT AG標準的邊界掃描功能、支持擴展的片內調試功能,通過JT AG接口實現對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。它的外設極為豐富,有8路10位ADC、2個可編程的串行US A

8、RT和可工作于主機/從機模式的SP I 串行接口等。A t m ega系列單片機采用8位R I SC結構,其豐富的尋址方式、簡潔的內核指令、較高的處理速度(8MHz晶體驅動,指令周期125ns、大量的寄存器以及片內數據存儲器使之具有強大的處理能力;另外,它的運行環境溫度范圍為-4085,可以適應各種惡劣的環境。CC2420是Chi pcon公司推出的一款符合I EEE802.15.4規范的2.4GHz射頻芯片,由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成。它采用高抗干擾o2QPSK調制,數據速率250kbit/ s,發射功率可調,抗鄰頻道干擾能力強(39d B,獨特的載波檢測輸

9、出、數據就緒輸出、地址匹配輸出,自動產生前導碼和CRC,使用SP I接口與微處理器通信,配置非常方便。此外,CC2420的工作電壓范圍為2.1 3.6V,其電流消耗很低,發射電流約為17.4mA,接收電流約為19.4mA,待機電流約為2A,能夠滿足系統高性能低功耗的需要。3.2節點硬件電路設計節點硬件電路設計主要包括主控節點和采集節點2部分。由于監測對象是機車蓄電池,電源可由蓄電池的電壓通過DC/DC模塊轉換而來,簡化系統對電源的設計。采集節點主要包括主控制芯片A t m ega16L、JT AG 調試接口、電壓采集保護電路、CC2420芯片和射頻接收發射模塊。A t m ega16L通過(T

10、 D I、T DO、T MS、T CK4線連接JT AG調試接口,符合JT AG標準,方便在線調試。CC2420可以通過4線SP I總線(SI、S O、SCLK、CSn設置芯片的工作模式,并實現讀/寫緩存數據、讀/寫狀態寄存器等。通過控制F I F O和F I F OP管腳接口的狀態可設置發射/接收緩存器。電壓采集保護電路主要是防止微處理器的AD轉換端口在意外情況下被燒毀,保護器件。采集節點接口原理圖如圖1所示 。圖1采集節點接口原理圖主控節點包括主控制芯片AT mega128L、JT AG調試接口、US B模塊、LCD顯示模塊、W25X32存儲芯片、CC2420芯片和射頻接收發射模塊。JT

11、AG調試接口、CC2420芯片和射頻接收發射模塊與采集節點接法類似,在此不再詳述。MCU通過并口P A口與US B模塊連接,提高了對U盤的讀寫速度,減少了時間。由于程序對US B模塊采用查詢方法,所以不需要占用控制器的中斷端口。MCU利用P B7和P B6連接L MS0192A的SI和SCL端口,模擬串行方式實現對LCD模塊的控制。由于SP I接口被CC2420占用,故利用模擬方式實現對存儲芯片W25X32的控制。主控節點接口原理圖如圖2所示 。圖2主控節點接口原理圖4系統軟件設計系統軟件設計主要包括采集節點發送接收程序、85儀表技術2009年第8期電壓采集程序、主控制器發送接收程序、LCD

12、顯示程序、W 25X32存儲和讀出程序、US B 模塊轉儲數據等。采集節點發送接收程序流程如圖3所示,采集節點首先采集電壓,然后等待主機命令。當采集節點接收到數據后,單片機核對節點I D 號,如I D 號不是本機則將其發送到與其相連通的下一級節點,并重新進入接收狀態;反之,采集節點將現場的數據打包,并發給主控制器,然后重新進入接收狀態 。圖3 采集節點流程圖圖4主控節點流程圖主控節點流程圖如圖4所示,主程序首先設定車次號和時間,便于數據分析,然后進入檢測界面。主控制器不停地巡檢蓄電池電壓,當接收到采集節點的數據后,比較兩次的電壓值,當符合要求時才存入存儲器,節約存儲空間。此外我們在程序中留有U

13、S B 接口,可以通過US B 模塊向U 盤發送數據,這樣地面站就可以通過U 盤對機車蓄電池電壓進行分類歸檔建立專家數據庫,以保證機車的安全運行。其他程序在此不再詳細敘述。5結束語本項目根據實際需要完成了機車蓄電池在線監測系統的整體架構設計和底層硬件的具體實現,較好地達到了預期目的。系統充分利用了Zig Bee 低速率、低功耗、低成本和自配置的特點,為蓄電池質量分析、提高壽命和降低人力成本提供了有力的技術保證,同時也為提高機車質量和鐵路運輸安全打下了良好基礎。參考文獻:1Zig Bee Specificati on Docu ment 053474rl3G .Zig Bee Stand 2ar

14、ds O rganizati on,2006.2AT mega16(L Datasheet doc2466G .A t m el Cor porati on,2008.3AT mega128(L Datasheet doc2467G .A t m el Cor porati on,2008.42.4GHz I EEE 802.15.4/Zig Bee 2ready RF Transceiver CC2420G.Texas I nstru ments Cor porati on,2007.(郁菁編發新款N I PX I Express 2.53GHz 雙核控制器日前,美國國家儀器有限公司(Nat

15、i onal I nstru ments,簡稱N I 推出最新配備I ntel 酷睿雙核T9400處理器的N I PX I e -8108高性能嵌入式控制器,它可顯著縮短PX I Exp ress 和基于CompactPC I Exp ress 自動化測試系統的測試時間。在各類測試、測量和控制應用中,工程師們都可以使用該款3U 嵌入式控制器,并配合任何PX I Exp ress 機箱來創建緊湊的、高性能的基于PC 的平臺。憑借配備的2.53GHz 雙核處理器、800MHz DDR2內存和1G B /s 總系統帶寬,N I PX I e -8108成為高級射頻和無線測試應用、高吞吐量數據采集系統和其他需要密集分析、信號或圖像處理等應用的理想選擇。由于射頻和無線應用的測試速度和測試系統控制器的計算性能緊密相關,N I PX I e -8108可有效優化射頻和無線測試應用。相比同類型基于舊版本的N I 嵌入式控制器,N I PX I e -8108控制器可最高提升25%的性能,幫助工程師們在控制器上的投資上獲得最大化的收益,這體現在它顯著縮短了包括無線局域網(WLAN 測試在內的射頻和無線測試的時間。利用N I