CN102195902A - ZigBee网络和CAN总线协议转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种ZigBee网络和CAN总线协议转换器。本发明包括电源管理模块、处理器模块、ZigBee无线通信模块和CAN收发模块。电源管理模块为处理器模块、ZigBee无线通信模块、CAN收发模块供电。处理器模块与ZigBee无线通信模块、CAN收发模块连接。CAN收发模块包括光耦隔离单元和CAN收发单元，CAN收发单元和光耦隔离单元连接，光耦隔离单元和处理器模块连接。本发明功耗低、数据处理速度快、适应性强。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器网络、混杂现场总线、嵌入式系统技术领域，具体涉及一种ZigBee网络和CAN总线协议转换器。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线通信设备不断成熟，成本也进一步的降低，为了解决工业环境及过程控制环境下的许多移动对象、旋转对象以及危险环境对象的监测与控制问题，出现了一种混杂的有线/无线现场总线（hybrid wired/wireless field bus）的新技术。
在工作环境较为恶劣、安全生产风险较高的化工企业，混杂现场总线技术可以随作业现场进行部署，迅速地覆盖所有工段。当现场工作人员携带无线传感器节点时，还可以利用无线传感器网络的定位技术对工作人员进行实时定位，万一发生事故可以对作业现场的工作人员在事故发生时刻的位置进行跟踪，便于设计高效的应急救援方案。基于混杂现场总线技术的现代化化工安全监控系统包括ZigBee与CAN总线之间的有线/无线网关、基于ZigBee的无线传感器节点、基于CAN总线的传感器节点等。
其中，ZigBee与CAN总线之间的有线/无线网关是建立化工企业安全监控系统的混杂有线/无线现场总线的关键，可充当周围无线传感器节点的数据中继点，从而实现更为可靠的远距离数据传输。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种ZigBee网络和CAN总线协议转换器。
本发明采取的具体方案为：ZigBee网络和CAN总线协议转换器包括电源管理模块、处理器模块、ZigBee无线通信模块和CAN收发模块。
所述电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。锂电池JS-7.4V-2.2AH为5V电压转换电路提供电源；5V电压转换电路的核心是SPX1117M3-5.0低压差线性稳压电源芯片，其输出供给3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路、CAN收发模块；3.3V电压转换电路的核心是SPX1117M3-3.3低压差线性稳压电源芯片，其输出供给处理器模块、ZigBee无线通信模块；1.8V电压转换电路的核心是SPX1117M3-1.8低压差线性稳压电源芯片，其输出供给处理器模块。
所述处理器模块以处理器LPC2109FBD64/01为核心，在其外围分别搭建了复位电路、晶振电路、JTAG电路以及ISP电路。并且对处理器的各电源引脚进行了退藕处理，复位电路采用专用的复位芯片MAX811S。处理器电源端分别和3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路相连;处理器的通用异步收发器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口与ZigBee无线通信模块连接；处理器的CAN接口与CAN收发模块连接；处理器电源端与3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路连接。
所述ZigBee无线通信模块的型号为HZ2012，该模块和处理器模块的UART接口相连，电源端和3.3V电压转换电路相连。
所述CAN收发模块包括光耦隔离单元、CAN收发单元和电源隔离单元。光耦隔离单元的核心为高速光耦6N137，其一端和处理器的CAN接口连接，另一端和CAN收发单元连接，电源端和5V电压转换电路以及电源隔离单元连接；CAN收发单元的CAN总线信号端和终端电阻连接，电源端和电源隔离单元连接；电源隔离单元的输入端和5V电压转换电路连接。
该设备能够实现ZigBee网络和CAN总线之间的数据转发、处理和计算。并具有低功耗，高可靠性，强数据处理能力等特点。和现有技术相比，有以下优点：
1.设备运行功耗低。设备的软硬件系统均采用低功耗设计技术，降低了能耗，设备可长时间工作。
2.数据处理速度快，升级潜力大。本发明采用了ARM7内核的高性能处理器，数据处理能力强，并且处理器的片上外设丰富，升级潜力大。
3.设备适应性强，工作稳定可靠。设备复位电路采用专用的复位芯片保证设备的可靠工作；设备CAN模块的电源采用隔离设计，CAN收发器和处理器之间采用了高速光耦进行隔离，很好地实现设备与CAN-BUS总线上其它节点的完全独立和隔离，提高节点的稳定性和安全性。
4.电路结构清晰。设备各功能模块和接口定义清晰，以LPC2109处理器为控制中心，协调CAN收发模块和ZigBee无线通信模块间的数据处理及传输。
附图说明
图1为本发明结构原理框图；
图2为本发明电源模块电路原理图；
图3为本发明处理器模块电路原理图；
图4为本发明ZigBee无线通信模块电路原理图；
图5为本发明CAN收发模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，ZigBee网络和CAN总线协议转换器包括电源管理模块、处理器模块、ZigBee无线通信模块和CAN收发模块。电源管理模块为处理器模块、ZigBee无线通信模块、CAN收发模块供电。处理器模块与ZigBee无线通信模块、CAN收发模块连接。CAN收发模块包括光耦隔离单元和CAN收发单元，CAN收发单元和光耦隔离单元连接，光耦隔离单元和处理器模块连接。
如图2所示，电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。锂电池型号为JS-7.4V-2.2AH，标称容量2.2AH，其正极和单刀双掷开关S1的2引脚相连，负极接地。单刀双掷开关S1的3引脚悬空，1引脚和保护二极管1N4007阳极相连，保护二极管1N4007的阴极和电源芯片U2的3引脚相连。5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，钽电容C23的负极接地；电源芯片U2的1引脚接地，2引脚和钽电容C24的正极、电源指示灯DS1的阳极相连；钽电容C24的负极、电源指示灯DS1的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3引脚、电源芯片U4的3引脚相连。3.3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地。1.8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2引脚和钽电容C10的正极、电源指示灯DS3阳极相连；钽电容C10的负极、电源指示灯DS3的阴极均接地。
如图3所示，处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退藕电容。处理器模块的核心处理器U1的57引脚和复位芯片U5的2引脚相连。复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3.3V电压转换电路相连，电容C11的一端和复位芯片的1引脚连接，另外一端和复位芯片U5的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2的1引脚相连，复位开关S2的2引脚接地。处理器U1的61引脚、62引脚分别和晶振电路相连。晶振电路中晶振Y1的两端并联一个电阻R3使系统更容易起振；晶振电路中电容C1、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地。处理器的JTAG接口和接插件JP1相连，其中处理器的20引脚和接插件JP1的3引脚相连，24引脚和接插件JP1的11引脚相连，52引脚和接插件JP1的7引脚相连，56引脚和接插件JP1的9引脚相连，57引脚和接插件JP1的15引脚相连，60引脚和接插件JP1的5引脚相连，64引脚和接插件JP1的13引脚相连；接插件JP1的1引脚、2引脚和3.3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚悬空，其余引脚均接地；电阻R2的一端和接插件JP1的11引脚相连，另一端接地。处理器ISP接口41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻R1的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻R1的另外一端和3.3V电压转换电路相连。退藕电容部分中，电容C16的一端和处理器的17引脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7引脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地。
如图4所示，ZigBee无线通信模块U12的13引脚、15引脚、17引脚均和3.3V电压转换电路相连；ZigBee无线通信模块U12的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚均接地；ZigBee无线通信模块U12的18引脚和处理器的19引脚相连，20引脚和处理器的21引脚相连，其余引脚均悬空。
如图5所示，CAN收发模块包括光耦隔离单元、CAN收发单元和5V电源隔离单元。光耦隔离单元的核心为两个高速光耦隔离器件6N137即U7和U8。光耦U7的2引脚和5V电压转换电路输出端相连；光耦U7的3引脚串联一个470Ω的电阻R7后和处理器CAN接口10引脚连接；光耦U7的1、4引脚悬空；光耦U7的5引脚和5V电源隔离单元中U9的3引脚相连；光耦U7的7、8引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连，电阻R5的一端和光耦U7的7、8引脚相连，另外一端和光耦U7的6引脚相连；光耦U7的6引脚和CAN收发器U6的1引脚相连。CAN收发单元的核心是TJA1040T高速CAN收发器U6，其3引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连；CAN收发器U6的2引脚和5V电源隔离单元中U9的3引脚相连；CAN收发器U6的5、8引脚悬空，6引脚、7引脚通过接插件J2和终端电阻R4相连。终端电阻R4的一端和接插件J2的2引脚相连，另一端和CAN收发器U6的7引脚相连；接插件J2的1引脚和CAN收发器的6引脚相连；CAN收发器的4引脚串联一个470Ω的电阻R6后和光耦U8的3引脚相连。光耦U8的2引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连；光耦U8的1、4引脚悬空；光耦U8的7、8引脚和5V电压转换电路相连，电阻R8的一端和光耦U8的7、8引脚相连，另一端和光耦U8的6引脚相连；光耦U8的6引脚和处理器的CAN接口9引脚相连；光耦U8的5引脚接地。电源隔离单元中U9的2引脚和5V电压转换电路相连，1引脚接地；电容C12的一端和U9的3引脚相连，电容C12另一端和U9的4引脚相连；电阻R9一端U9的3引脚相连，电阻R9的另一端和U9的4引脚相连。
本发明的工作过程为：锂电池输出的7.4V电压通过5V电压转换电路转换，然后为CAN收发模块、3.3V电压转换电路和1.8V电压转换电路提供电源。3.3V电压转换电路为RS-232收发器、复位芯片和处理器提供电源；1.8V电压转换电路为处理器提供电源。整个设备由单刀双掷开关S1来控制通断。当设备需要将ZigBee网络的数据转发到CAN总线时，设备首先通过ZigBee无线通信模块接收来自ZigBee网络的数据，然后处理器将接收的数据处理后通过CAN收发模块转发到CAN总线；当设备需要将CAN总线的数据转发到ZigBee网络时，设备首先通过CAN收发模块接收来自CAN总线的数据，然后处理器将接收到的数据处理后通过ZigBee无线通信模块转发到ZigBee网络。本发明提供了一种ZigBee网络和CAN总线协议转换器，能够实现数据在CAN总线ZigBee网络之间的转发。
Claims (1)
1.ZigBee网络和CAN总线协议转换器，包括电源管理模块、处理器模块、ZigBee无线通信模块和CAN收发模块，其特征在于：
电源管理模块为处理器模块、ZigBee无线通信模块、CAN收发模块供电；处理器模块与ZigBee无线通信模块、CAN收发模块连接；CAN收发模块包括光耦隔离单元和CAN收发单元，CAN收发单元和光耦隔离单元连接，光耦隔离单元和处理器模块连接；
所述的电源管理模块包括7.4V锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路；锂电池正极和单刀双掷开关S1的2引脚相连，负极接地；单刀双掷开关S1的3引脚悬空，1引脚和保护二极管1N4007阳极相连，保护二极管1N4007的阴极和电源芯片U2的3引脚相连；5V电压转换电路中钽电容C23的正极和电源芯片U2的3引脚相连，钽电容C23的负极接地；电源芯片U2的1引脚接地，2引脚和钽电容C24的正极、电源指示灯DS1的阳极相连；钽电容C24的负极、电源指示灯DS1的阴极均接地；电源芯片U2的2引脚分别和电源芯片U3的3引脚、电源芯片U4的3引脚相连；3.3V电压转换电路中电容C7的一端和电源芯片U3的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U3的1引脚接地，2引脚和钽电容C9的正极、电源指示灯DS2的阳极相连；钽电容C9的负极、电源指示灯DS2的阴极均接地；1.8V电压转换电路中电容C8的一端和电源芯片U4的3引脚相连，另一端接地；电源芯片U4的1引脚接地，2引脚和钽电容C10的正极、电源指示灯DS3阳极相连；钽电容C10的负极、电源指示灯DS3的阴极均接地；
所述的处理器模块的核心为处理器U1，还包括复位电路、晶振电路、JTAG电路、ISP电路和退藕电容；处理器模块的核心处理器U1的57引脚和复位芯片U5的2引脚相连；复位芯片U5的1引脚接地，4引脚和3.3V电压转换电路相连，电容C11的一端和复位芯片的1引脚连接，另外一端和复位芯片U5的4引脚相连；复位芯片的3引脚和复位开关S2的1引脚相连，复位开关S2的2引脚接地；处理器U1的61引脚、62引脚分别和晶振电路相连；晶振电路中晶振Y1的两端并联一个电阻R3使系统更容易起振；晶振电路中电容C1、C2的一端分别和晶振相连，另一端均接地；处理器的JTAG接口和接插件JP1相连，其中处理器的20引脚和接插件JP1的3引脚相连，24引脚和接插件JP1的11引脚相连，52引脚和接插件JP1的7引脚相连，56引脚和接插件JP1的9引脚相连，57引脚和接插件JP1的15引脚相连，60引脚和接插件JP1的5引脚相连，64引脚和接插件JP1的13引脚相连；接插件JP1的1引脚、2引脚和3.3V电压转换电路相连，17引脚、19引脚悬空，其余引脚均接地；电阻R2的一端和接插件JP1的11引脚相连，另一端接地；处理器ISP接口41引脚和接插件JP2的1引脚相连，接插件JP2的2引脚接地；电阻R1的一端和接插件JP2的1引脚相连，电阻R1的另外一端和3.3V电压转换电路相连；退藕电容部分中，电容C16的一端和处理器的17引脚相连，另一端接地；电容C17的一端和处理器的49引脚相连，另一端接地；电容C18的一端和处理器的63引脚相连，另一端接地；电容C19的一端和处理器的7引脚相连，另一端接地；电容C20的一端和处理器的23引脚相连，另一端接地；电容C21的一端和处理器的43引脚相连，另一端接地；电容C22的一端和处理器的51引脚相连，另一端接地；
所述的ZigBee无线通信模块U12的13引脚、15引脚、17引脚均和3.3V电压转换电路相连；ZigBee无线通信模块U12的21引脚、23引脚、25引脚、27引脚均接地；ZigBee无线通信模块U12的18引脚和处理器的19引脚相连，20引脚和处理器的21引脚相连，其余引脚均悬空；
所述的CAN收发模块包括光耦隔离单元、CAN收发单元和5V电源隔离单元；光耦隔离单元的核心为两个高速光耦隔离器件6N137，即U7和U8；光耦U7的2引脚和5V电压转换电路输出端相连；光耦U7的3引脚串联电阻R7后和处理器CAN接口10引脚连接；光耦U7的1、4引脚悬空；光耦U7的5引脚和5V电源隔离单元中U9的3引脚相连；光耦U7的7、8引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连，电阻R5的一端和光耦U7的7、8引脚相连，另外一端和光耦U7的6引脚相连；光耦U7的6引脚和CAN收发器U6的1引脚相连；CAN收发单元的核心是TJA1040T高速CAN收发器U6，其3引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连；CAN收发器U6的2引脚和5V电源隔离单元中U9的3引脚相连；CAN收发器U6的5、8引脚悬空，6引脚、7引脚通过接插件J2和终端电阻R4相连；终端电阻R4的一端和接插件J2的2引脚相连，另一端和CAN收发器U6的7引脚相连；接插件J2的1引脚和CAN收发器的6引脚相连；CAN收发器的4引脚串联一个470Ω的电阻R6后和光耦U8的3引脚相连；光耦U8的2引脚和5V电源隔离单元中U9的4引脚相连；光耦U8的1、4引脚悬空；光耦U8的7、8引脚和5V电压转换电路相连，电阻R8的一端和光耦U8的7、8引脚相连，另一端和光耦U8的6引脚相连；光耦U8的6引脚和处理器的CAN接口9引脚相连；光耦U8的5引脚接地；电源隔离单元中U9的2引脚和5V电压转换电路相连，1引脚接地；电容C12的一端和U9的3引脚相连，电容C12另一端和U9的4引脚相连；电阻R9一端U9的3引脚相连，电阻R9的另一端和U9的4引脚相连。
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