3. 組網過程
7個無線節(jié)點組成一個星形無線網絡，以主節(jié)點為協(xié)調器，6個子節(jié)點為網絡節(jié)點。組網的過程可以描述如下：
（1） 將主節(jié)點和所有子節(jié)點的無線收發(fā)頻率置于同一信道，確保該信道上無其它無線設備。
（2） 主節(jié)點無線發(fā)送組網廣播，告知同信道的所有處于接收狀態(tài)的無線設備（各子節(jié)點）自己為網絡協(xié)調器，并告知該網絡的PAN ID，以及主節(jié)點自己的64位MAC地址。同時，設定廣播報文的最大重傳次數(shù)，并開啟廣播超時定時器。
（3） 各個子節(jié)點在接收到廣播之后回應一個網絡連接請求。
（4） 當主節(jié)點收到子節(jié)點的網絡連接請求時，主節(jié)點給該子節(jié)點分配16位的網絡地址。
（5） 定時器超時，主節(jié)點檢查是否收到了所有子節(jié)點的網絡連接請求?！笆恰眲t停止組網廣播，組網成功?！胺瘛眲t重傳組網廣播，重傳次數(shù)減1。
（6） 重復步驟（5），若重傳次數(shù)已經自減為0，停止組網廣播，組網結束，并告知工控機本次組網失敗。
4. 數(shù)據(jù)傳輸
4.1 幀格式定義
在本文所設計的星形無線網絡中，共分為物理層、MAC層和應用層3層，各層的幀格式如圖3所示。網間傳輸?shù)男畔膸愋蜕戏譃?種，分別為數(shù)據(jù)幀、確認幀和命令幀，組網廣播幀和角度采集廣播歸屬于命令幀。
 
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注：Frame Length為物理層幀長度；Frame Control域的低3位指示該信息的幀類型；Sequence NO.為序列號；FCS為校驗域。Command Type為命令類型，指示收到命令幀之后無線節(jié)點所需進行的操作。
4.2 TDMA時隙分配和傳輸協(xié)議
主節(jié)點和各子節(jié)點采取時分復用TDMA的方式進行通信，每個子節(jié)點在指定的時隙內和主節(jié)點進行信息交互。在本文所設計的星型無線網絡中，共劃分有8個時隙，如圖4所示。
 
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前6個時隙內，主節(jié)點依次對各子節(jié)點進行輪詢，獲取角度信息并對其進行校驗。后2個時隙用于重傳，當1個或多個子節(jié)點的信息丟失或校驗發(fā)生錯誤時，采取“先丟失/出錯，先重傳”的方式進行重傳。
每個時隙內，主節(jié)點發(fā)送“開始傳輸角度信息”的命令幀至指定子節(jié)點，并啟動時隙超時定時器。子節(jié)點在接收到該命令幀后，立刻將從編碼盤信息中提取出的有效角度信息封裝成幀，經由射頻模塊發(fā)送給主節(jié)點。當定時器超時時，主節(jié)點若還未收到該子節(jié)點的角度信息幀，或收到角度信息幀但校驗錯誤，則記錄該子節(jié)點的編號(以便在重傳時隙內令其重發(fā))，并轉入輪詢下一子節(jié)點。若接收到正確報文，則直接轉入下一子節(jié)點的輪詢。
4.3 子節(jié)點采集時刻同步
組網完成之后，主節(jié)點無線發(fā)送角度采集廣播給各個子節(jié)點，指示其以一定頻率采集編碼盤信息，提取并發(fā)送有效的角度信息。由于主節(jié)點以無線方式發(fā)送角度采集廣播，該廣播到達各個子節(jié)點的時間可能并不一致。若子節(jié)點在收到該廣播后立刻開始讀取編碼盤信息，子節(jié)點所讀到并提取的關節(jié)角度并不是同一時刻點的，導致測量機無法準確工作，所以需要有“子節(jié)點采集時刻同步”的環(huán)節(jié)。
我們采取的做法是：在組網完成之后，主節(jié)點發(fā)送角度采集廣播之前， 6個子節(jié)點逐一與主節(jié)點進行信息交互，子節(jié)點求取出信息幀的空中傳輸時間ti（i為子節(jié)點的編號，i=1,2…6；）。當所有子節(jié)點接收到主節(jié)點發(fā)送的角度采集廣播后，分別延遲（T – ti）時間再采集編碼盤信息，其中T為常數(shù)，T>max[t1, t2, …t6]。那么，從主節(jié)點發(fā)送角度采集廣播的那一時刻開始，各子節(jié)點都經過了[ti +（T – ti）] = T時間后讀取編碼盤信息，實現(xiàn)了子節(jié)點采集時刻同步。
求取信息幀空中傳輸時間ti的具體過程如圖5所示。子節(jié)點i在Ti1時刻發(fā)送一個“請求時間校正幀”給主節(jié)點，主節(jié)點在Ti2時刻收到該幀，并于Ti3時刻回復第一個應答幀，應答幀的內容為時刻Ti2。子節(jié)點在Ti4時刻收到應答幀，獲得時間Ti2。主節(jié)點在Ti3時刻后任意延遲一段時間發(fā)送第二個應答幀，應答幀的內容為時刻Ti3，使子節(jié)點能在某時刻獲取時間Ti3。
 
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注：在此我們假定，信息幀由主節(jié)點發(fā)送至子節(jié)點需要的空中傳輸時間和信息幀由子節(jié)點發(fā)送至主節(jié)點需要的空中傳輸時間相同且穩(wěn)定。且信息幀長度等于主節(jié)點發(fā)送的“角度采集廣播幀”長度。
假設主節(jié)點的時鐘超前子節(jié)點△Ti，信息幀的空中傳輸時間為ti，可得：
Ti2 = Ti1 + △Ti + ti                                       ①
Ti4 = Ti3 - △Ti + ti                                       ②
由式①和②聯(lián)立可得：
△Ti  = （Ti2 - Ti1 -  Ti4 + Ti3）/2
 ti   = （Ti2 - Ti1  + Ti4 - Ti3）/2
5. 主節(jié)點和工控機的通信
主節(jié)點和工控機采用RS-232 串行數(shù)據(jù)傳輸，串行口通信方式為異步串行通信，速率為19200bps，信息格式為1位開始位、8 位數(shù)據(jù)位、1個停止位、無奇偶校驗位，采用中斷方式進行數(shù)據(jù)傳輸。以下是串口初始化程序片斷：
void ConsoleInit(void)
{
#if defined(USART_USE_BRGH_HIGH)
      TXSTA = 0x24;   //設置串口發(fā)送狀態(tài)寄存器
#else
TXSTA = 0x20; 
#endif
      RCSTA = 0x90;    //設置串口接收狀態(tài)寄存器
   // SPBRG_VAL = CLOCK_FREQ/BAUD_RATE/64 – 1，BAUD_RATE=19200bps
      SPBRG = SPBRG_VAL;
  TXIE = 1; //默認情況下串口處于發(fā)送狀態(tài)，使能發(fā)送中斷
     TXIP = 1;
  //RCIE = 1; //若需要執(zhí)行串口接收，使能發(fā)送中斷
     //RCIP = 1;
}
6. 結論
將信息傳輸無線化，可免去關節(jié)臂式測量機的臂內電纜線,實現(xiàn)關節(jié)的無限旋轉。本文設計的“基于ZigBee技術的角度同步采集傳輸系統(tǒng)”的無線硬件設計、軟件設計解決方案經測試運行穩(wěn)定，無線通信誤碼率低、可靠性高、安全性好。在室內測試環(huán)境下，無線收發(fā)速率可以穩(wěn)定達到18kbps，重傳后誤碼率不高于10¬-5數(shù)量級.
本文作者創(chuàng)新點：將ZigBee無線通信技術與機械測量相結合，設計了一套基于ZigBee技術的角度同步采集傳輸系統(tǒng)，應用在關節(jié)臂式測量機上，實現(xiàn)了關節(jié)的無限旋轉。