介紹了基于ZigBee技術(shù)與ARM處理器的新型液化氣灌裝電子秤。硬件電路采用模塊化設(shè) 計(jì)，提高了灌裝控制精度與可靠性。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，該新型液化氣灌裝電子秤具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

隨著現(xiàn)代工業(yè)信息化水平的提高,在液化氣灌 裝領(lǐng)域,一方面灌裝秤需要操作使用方便、安全可 靠，另一方面對(duì)于灌裝過(guò)程信息記錄要求實(shí)時(shí)存 儲(chǔ),后臺(tái)監(jiān)控⑴，以方便管理,從而對(duì)灌裝秤通信功 能提出了更高的要求。液化充裝氣站等場(chǎng)合是帶 有危險(xiǎn)性的防爆場(chǎng)合，安裝和鋪設(shè)管線復(fù)雜，施工 難度大，安裝維護(hù)困難，目前的灌裝電子秤操作較 為復(fù)雜，灌裝秤的各部件之間耦合性強(qiáng)，維護(hù)升級(jí) 不便。為了更好地滿足液化氣灌裝電子秤的實(shí)際 要求，筆者設(shè)計(jì)了一種以ARM處理器為核心，以 ZigBee為通信方式的新型液化氣灌裝電子秤。

1基于ZigBee的液化氣電子灌裝系統(tǒng)原理

1.1ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

在短距離無(wú)線通信領(lǐng)域，常用的技術(shù)有Blue- tooth、Wi-Fi等。它們各有優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在著 局限性，比如Wi-Fi功耗大，藍(lán)牙傳輸距離短。為 了彌補(bǔ)現(xiàn)有通信技術(shù)的不足，ZigBee聯(lián)盟推出了 基于 IEEE802. 15.4 的 ZigBee 協(xié)議。ZigBee 無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有以下主要特點(diǎn)：

a.功耗低。在休眠模式下，兩節(jié)五號(hào)干電池 可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6 ~24個(gè)月左右，這是Zig- bee的突出優(yōu)勢(shì)。

b.速率低。專注于低傳輸應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸率 只有 10 ~250kb/s。

C.時(shí)延低。對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通 信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。通常 時(shí)延都在15 ~30ms。

d.距離短。有效覆蓋范圍在10 ~ 100m之 間，但是可以擴(kuò)展到數(shù)百米，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功 率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。

e.成本低。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低,協(xié)議簡(jiǎn) 單，且ZigBee協(xié)議免收專利費(fèi)，大大降低了成本。

ZigBee技術(shù)具有的“四低一短”的特點(diǎn)使其 特別適合于液化氣站的灌裝操作。

1.2基于ZigBee的無(wú)線灌裝系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案如圖1所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層： 由灌裝電子秤組成的業(yè)務(wù)層；由無(wú)線基站構(gòu)成的 數(shù)據(jù)傳輸層；由后臺(tái)服務(wù)器構(gòu)成的數(shù)據(jù)管理層。

ZigBee通信模塊實(shí)時(shí)接收灌裝秤傳輸?shù)墓嘌b記 錄,并將灌裝記錄發(fā)送至基站。基站獲得服務(wù)器 的令牌后，在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)輪詢其所管轄的灌裝 秤，若灌裝秤無(wú)線通信模塊有數(shù)據(jù)要發(fā)送,必須等 待基站的查詢本機(jī)命令才可發(fā)送，否則不作任何 應(yīng)答。基站負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，當(dāng)有 數(shù)據(jù)時(shí),主動(dòng)向服務(wù)器上傳。整個(gè)無(wú)線灌裝系統(tǒng) 可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向通信。

2.灌裝電子秤硬件設(shè)計(jì)

灌裝電子秤負(fù)責(zé)液化氣瓶條碼的讀取、灌裝過(guò) 程的處理和信息的顯示，并需要將灌裝記錄傳輸?shù)?/span> ZigBee基站。為實(shí)現(xiàn)具有高性能、低功耗、可擴(kuò)展 的灌裝電子秤,本設(shè)計(jì)按功能結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，各 模塊既能單獨(dú)工作，又方便與主控制器進(jìn)行接口通 信。主控制器是電子灌裝秤的核心,其性能好壞也 直接決定了整個(gè)灌裝系統(tǒng)性能,經(jīng)對(duì)比選擇NXP LPC2388作為主控制器，該器件是基于 ARM7TDMI-S內(nèi)核的處理器，具有USB控制器、 SPI、I2C及UART接口等豐富的外設(shè),可以滿足灌 裝電子秤的需求。硬件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1Beige通信模塊

ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)選用TI公司新推出的 符合IEEE802. 15.4標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級(jí)芯片CC2530。 圖3所示為基于CC2530的通信模塊電路。 CC2530作為SoC,內(nèi)部集成了一個(gè)高性能的4GHz的RF收發(fā)器和一個(gè)優(yōu)化的低功耗8051微控制器內(nèi)核,并且具有強(qiáng)大豐富的外設(shè)，以此設(shè) 計(jì)的通信模塊既可獨(dú)立工作，又可通過(guò)UART接 口與LPC2388主控制器通信。ZigBee通信模塊 無(wú)需對(duì)收發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析，實(shí)現(xiàn)了 LPC2388的透明傳輸。

2.2稱重模塊

稱重功能是液化氣灌裝電子秤的核心功能。 稱重模塊拋開(kāi)傳統(tǒng)傳感器+ AD轉(zhuǎn)換器的方案，使 用獨(dú)立微處理器構(gòu)造稱重模塊。設(shè)計(jì)中選用混合 信號(hào)單片機(jī)C8051F350，其內(nèi)部自帶有一個(gè)高性 能的全差分24位的Sigmn-Delta ADC,具有片內(nèi) 校準(zhǔn)功能，集成的可編程增益提髙了采集系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和精確性。C8051F350為32引腳的LQFP 封裝，尺寸為9. 0mm x 9. 0mm x 1. 6mm，可以使稱 重模塊的體積和重量最小化。

稱重模塊的微處理器負(fù)責(zé)重量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、 清零及標(biāo)定等實(shí)際操作，與灌裝秤主控制器間以 UART接口進(jìn)行通信，主控制器只需發(fā)送相應(yīng)的 命令即可自行操作。稱重模塊的電路如圖4所 示。壓力傳感器選用L6G-C3-200KG-3G6，其量程 為200kg,最大檢定分度數(shù)為3 000個(gè)分度，輸出 靈敏度為2.0 ±0.2mV/V，激勵(lì)電壓5 ~12V，滿 足液化氣灌裝功能。傳感器差分信號(hào)通過(guò)AIN + 和AIN-引人

2.3 USB存儲(chǔ)模塊

在液化氣灌裝過(guò)程中，對(duì)氣瓶身份的識(shí)別是 氣瓶充裝信息化管理的重要保證。目前通用的 做法是使用便攜式掃描器逐個(gè)掃描待裝氣瓶條 碼，由通信模塊將條碼數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器獲取氣 瓶檔案數(shù)據(jù)，再通過(guò)通信模塊下發(fā)至灌裝秤內(nèi)。

每次在灌裝前都存在通信過(guò)程，從而增加了灌裝 時(shí)間，另外在通信失敗的情況下失效。由于考慮 到應(yīng)用于嵌人式系統(tǒng)中存儲(chǔ)芯片容量已經(jīng)滿足要 求，在保留傳統(tǒng)方案基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了 USB存儲(chǔ)方 案，從而提髙了灌裝的性能。

USB存儲(chǔ)電路如圖5所示。LPC2388內(nèi)部具 有兼容USB2.0協(xié)議的控制器，為USB接口設(shè)計(jì) 提供方便。采用K9FXX08系列NAND FLASH芯 片存儲(chǔ)氣瓶檔案數(shù)據(jù),氣瓶檔案數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)單 個(gè)或批量更新，通過(guò)USB主機(jī)接口讀取存放于 USB存儲(chǔ)設(shè)備中的文件寫(xiě)人FLASH芯片中，當(dāng)灌 裝前掃描氣瓶條碼后直接從FLASH中讀取氣瓶 檔案數(shù)據(jù)。灌裝過(guò)程中ZigBee通信不正常時(shí)，灌 裝記錄也存放于FLASH內(nèi)，待下次通信恢復(fù)后再上傳至服務(wù)器。

3.通信協(xié)議設(shè)計(jì)

液化氣灌裝電子秤的通信協(xié)議涉及電子秤中 ZigBee通信模塊與基站的通信協(xié)議和主控制器與 稱重模塊的通信協(xié)議兩部分。

3.1ZigBee通信模塊與基站通信

ZigBee通信模塊與基站間主要包含以下兩大 通信過(guò)程：

a.請(qǐng)求分配灌裝秤地址。ZigBee通信模塊 在上電后，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)在等待第N次基站巡檢 命令后，向基站發(fā)請(qǐng)求分配灌裝秤地址命令（附 加上隨機(jī)驗(yàn)證碼），基站會(huì)將當(dāng)前未分配的灌裝 秤號(hào)分配給請(qǐng)求灌裝秤,灌裝秤接收成功且驗(yàn)證 碼與請(qǐng)求的驗(yàn)證碼一致后，灌裝秤以此地址與基 站通信。

b.灌裝秤發(fā)送灌裝數(shù)據(jù)。基站以廣播方式 向灌裝秤發(fā)送查詢命令,命令中包含要査詢的灌 裝秤地址。灌裝秤如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則等待直 到接收到針對(duì)自己的一幀查詢命令后，將灌裝信 息發(fā)送,并等待基站應(yīng)答，若未收到基站的肯定應(yīng) 答，則等待下次基站査詢?cè)俅伟l(fā)送。

ZigBee通信模塊與基站通信幀設(shè)計(jì)格式為： 幀起始符(2Byte) +基站地址（1 Byte) +命令 碼（lByte) +數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（lByte) +灌裝秤地址 (lByte) + 數(shù)據(jù)塊（nByte) + CRC16(2Byte)

3.2LPC2388與稱重模塊通信

灌裝電子秤主控制器LPC2388通過(guò)串口接 收稱重模塊發(fā)送的液化氣瓶重量數(shù)據(jù),頻率為每 100ms—次。具體通串口通信信幀格式為：

幀起始符（lByte) +重量l(3Byte) +重量2 (3 Byte) + 秤標(biāo)志（lByte) + 校驗(yàn)碼（lByte)其中重量1數(shù)據(jù)為以0. lkg為單位的重量 值;重量2數(shù)據(jù)為以lg為單位的重量值；秤標(biāo)志 字節(jié)中各位分別表示重量信息標(biāo)志，各位標(biāo)志含 義見(jiàn)表1。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

液化氣電子灌裝秤軟件按層次化設(shè)計(jì)，軟件 架構(gòu)如圖6所示。

系統(tǒng)軟件分為3層結(jié)構(gòu)：

A.應(yīng)用層。按主要功能分為4大模塊，用于 液化氣灌裝過(guò)程的實(shí)施和用戶交互。用戶界面模 塊，負(fù)責(zé)LCD顯示灌裝信息以及對(duì)用戶操作的響 應(yīng);定時(shí)模塊，負(fù)責(zé)LCD屏幕刷新、電源的監(jiān)控及 稱重模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)等;灌裝模塊，負(fù)責(zé)對(duì)重量閥值 的監(jiān)視、灌裝的速度計(jì)算及灌裝狀態(tài)的判斷等;通 信模塊，負(fù)責(zé)將灌裝數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/span>ZigBee通信模塊 中。

b.系統(tǒng)功能層。用于向應(yīng)用層提供系統(tǒng)功 能調(diào)用。

驅(qū)動(dòng)層。用于向上層提供對(duì)硬件的底層 操作。

系統(tǒng)軟件實(shí)施采用嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ucos-n，其內(nèi)核精簡(jiǎn)，多任務(wù)管理功能完善，實(shí) 時(shí)性能好，能較好地滿足該系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定 性和可靠性要求。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了以下5個(gè)任 務(wù)：

顯示任務(wù)。定時(shí)查詢LCD上顯示的內(nèi)容 有無(wú)更新，如果更新則讀取相關(guān)消息，如秤臺(tái)重 量、時(shí)鐘時(shí)間及用戶按鍵等刷新LCD屏。

消息處理任務(wù)。周期性讀取各模塊，如稱 重模塊、ZigBee通信模塊、鍵盤及電源模塊等產(chǎn)生 的消息，對(duì)消息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后，向?qū)?yīng)的外設(shè)分 發(fā)處理后的消息。當(dāng)然，鍵盤掃描也包含在該任 務(wù)中。

C.稱重處理任務(wù)。讀取稱重模塊發(fā)來(lái)的數(shù) 據(jù),轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的重量消息。稱重模塊每100mS 發(fā)送一次數(shù)據(jù)，所以該任務(wù)采用阻塞模式，等待稱 重模塊中斷發(fā)來(lái)的郵箱消息后執(zhí)行。

d.通信處理任務(wù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee通信模塊 數(shù)據(jù)的收發(fā)功能,包含發(fā)送灌裝信息記錄、分析基 站發(fā)來(lái)。

的數(shù)據(jù)及命令等功能。該任務(wù)等待ZigBee 通信串口中斷發(fā)來(lái)的郵箱消息后執(zhí)行。

e.USB處理任務(wù)。負(fù)責(zé)讀取USB存儲(chǔ)設(shè)備 數(shù)據(jù)文件的讀取和解析，并將氣瓶檔案信息寫(xiě)人 FIASH中。該任務(wù)等待USB接口中斷發(fā)來(lái)的郵 箱消息后執(zhí)行。

5.結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)與ARM平臺(tái)的 液化氣灌裝電子枰，精度為50g,灌裝方式多樣、 功能完善可靠、灌裝時(shí)間短、用戶界面友好，操作 人員無(wú)需專門培訓(xùn)即可進(jìn)行灌裝操作。該系統(tǒng)已 成功應(yīng)用于常州市某液化氣灌裝站，實(shí)踐證明，該 電子秤具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。下一步筆者打 算將繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行提高，諸如使用嵌入式 數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)和管理氣瓶檔案數(shù)據(jù)，優(yōu)化灌裝到 量切斷控制算法等。