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，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，另一方面對于灌裝過程信息記錄要求實(shí)時存 儲,后臺監(jiān)控⑴，以方便管理,從而對灌裝秤通信功 能提出了更高的要求。液化充裝氣站等場合是帶 有危險性的防爆場合，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 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無線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

在短距離無線通信領(lǐng)域，常用的技術(shù)有Blue- tooth、Wi-Fi等。它們各有優(yōu)勢，但同時也存在著 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)五號干電池 可支持一個節(jié)點(diǎn)工作6 ~24個月左右，這是Zig- bee的突出優(yōu)勢。

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.時延低。對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通 信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。通常 時延都在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 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；由無線基站構(gòu)成的 數(shù)據(jù)傳輸層；由后臺服務(wù)器構(gòu)成的數(shù)據(jù)管理層。

ZigBee通信模塊實(shí)時接收灌裝秤傳輸?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，在一個時間片內(nèi)輪詢其所管轄的灌裝 秤，若灌裝秤無線通信模塊有數(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)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，當(dāng)有 數(shù)據(jù)時,主動向服務(wù)器上傳。整個無線灌裝系統(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

灌裝電子秤負(fù)責(zé)液化氣瓶條碼的讀取、灌裝過 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)計按功能結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計，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 直接決定了整個灌裝系統(tǒng)性能,經(jīng)對比選擇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)計選用TI公司新推出的 符合IEEE802. 15.4標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級芯片CC2530。 圖3所示為基于CC2530的通信模塊電路。 CC2530作為SoC,內(nèi)部集成了一個高性能的4GHz的RF收發(fā)器和一個優(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) 計的通信模塊既可獨(dú)立工作，又可通過UART接 口與LPC2388主控制器通信。ZigBee通信模塊 無需對收發(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)計中選用混合 信號單片機(jī)C8051F350，其內(nèi)部自帶有一個高性 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個分度，輸出 靈敏度為2.0 ±0.2mV/V，激勵電壓5 ~12V，滿 足液化氣灌裝功能。傳感器差分信號通過AIN + 和AIN-引人

2.3 USB存儲模塊

在液化氣灌裝過程中，對氣瓶身份的識別是 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程，從而增加了灌裝 時間，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)計了 USB存儲方 案，從而提髙了灌裝的性能。

USB存儲電路如圖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 提供方便。采用K9FXX08系列NAND FLASH芯 片存儲氣瓶檔案數(shù)據(jù),氣瓶檔案數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)單 個或批量更新，通過USB主機(jī)接口讀取存放于 USB存儲設(shè)備中的文件寫人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)。灌裝過程中ZigBee通信不正常時，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

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 通信過程：

a.請求分配灌裝秤地址。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)請求分配灌裝秤地址命令（附 加上隨機(jī)驗(yàn)證碼），基站會將當(dāng)前未分配的灌裝 秤號分配給請求灌裝秤,灌裝秤接收成功且驗(yàn)證 碼與請求的驗(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再次發(fā)送。

ZigBee通信模塊與基站通信幀設(shè)計格式為： 幀起始符(2Byte) +基站地址（1 Byte) +命令 碼（lByte) +數(shù)據(jù)長度（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 義見表1。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

液化氣電子灌裝秤軟件按層次化設(shè)計，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用戶操作的響 應(yīng);定時模塊，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)測等;灌裝模塊，負(fù)責(zé)對重量閥值 的監(jiān)視、灌裝的速度計算及灌裝狀態(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)動層。用于向上層提供對硬件的底層 操作。

系統(tǒng)軟件實(shí)施采用嵌人式實(shí)時操作系統(tǒng) ucos-n，其內(nèi)核精簡，多任務(wù)管理功能完善，實(shí) 時性能好，能較好地滿足該系統(tǒng)對實(shí)時性、穩(wěn)定 性和可靠性要求。系統(tǒng)軟件設(shè)計了以下5個任 務(wù)：

顯示任務(wù)。定時查詢LCD上顯示的內(nèi)容 有無更新，如果更新則讀取相關(guān)消息，如秤臺重 量、時鐘時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)來的郵箱消息后執(zhí)行。

d.通信處理任務(wù)。實(shí)現(xiàn)對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。

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存儲設(shè)備 數(shù)據(jù)文件的讀取和解析，并將氣瓶檔案信息寫人 FIASH中。該任務(wù)等待USB接口中斷發(fā)來的郵 箱消息后執(zhí)行。

5.結(jié)束語

筆者設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)與ARM平臺的 液化氣灌裝電子枰，精度為50g,灌裝方式多樣、 功能完善可靠、灌裝時間短、用戶界面友好，操作 人員無需專門培訓(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)用推廣價值。下一步筆者打 算將繼續(xù)對系統(tǒng)性能進(jìn)行提高，諸如使用嵌入式 數(shù)據(jù)庫來存儲和管理氣瓶檔案數(shù)據(jù)，優(yōu)化灌裝到 量切斷控制算法等。