工程機(jī)械儀表無線通信對(duì)射頻技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：在工程機(jī)械儀表無線通信中，針對(duì)環(huán)境因素導(dǎo)致大型工程機(jī)械信號(hào)與駕駛操控室儀表異地顯示等異常問題，需要借助射頻模塊nRF2401的有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信的功能。本文主要對(duì)射頻芯片nRF2401的工作原理及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明，并給出了無線通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、接口電路及相應(yīng)程序框圖。

關(guān)鍵詞：射頻技術(shù)；工程機(jī)械儀表；無線通信

近年來，很多工程機(jī)械正朝著大型化的模式發(fā)展，這必然會(huì)造成駕駛操控室回轉(zhuǎn)操作難度加大，長距離工程操作也變得日益普及。射頻無線通信技術(shù)大力發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)大型工程機(jī)械駕駛操控室無線通信信號(hào)傳輸，大大解決了線纜傳輸中存在的不足，所傳輸?shù)男盘?hào)穩(wěn)定性高且質(zhì)量也有所保障。

1工程機(jī)械儀表無線通信中的射頻技術(shù)技術(shù)

WLAN技術(shù)是一種很常見的WI-FI技術(shù)，具有很多優(yōu)勢，但也有不足，尤其是其射頻技術(shù)不完善，致使使用中存在很多安全隱患。與無線通信技術(shù)對(duì)比，WiMax技術(shù)最近幾年才出現(xiàn)，只用極少企業(yè)會(huì)使用WiMax技術(shù)。LMDS技術(shù)是一項(xiàng)綜合型的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可以滿足人們形式多樣的業(yè)務(wù)需求，同時(shí)還具有視頻功能、數(shù)據(jù)功能等，但其易受天氣因素的影響，限制了無線信號(hào)傳輸距離。MMDS技術(shù)在一些大雨、大風(fēng)等惡劣天氣下，無線信號(hào)質(zhì)量受干擾程度較大。另外，此技術(shù)對(duì)信號(hào)傳輸效率有著很高要求，發(fā)展到今天，還沒有形成統(tǒng)一的、完善的標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際運(yùn)用過程中，集群通信技術(shù)具有利用率高、容量大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，能夠很好地保障傳輸無線信號(hào)的效率。不過，在無線通信技術(shù)的發(fā)展下，它在具體運(yùn)用過程中還需要不斷完善，進(jìn)而得到更為廣泛和普遍的使用。

2通信系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

射頻芯片nRF2401系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)的主要作用是對(duì)現(xiàn)場各類儀表信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)發(fā)送工作；二是接收機(jī)，主要作用是對(duì)LCD顯示儀表參數(shù)進(jìn)行控制，并向發(fā)射機(jī)傳送相關(guān)指令。該系統(tǒng)主要采取的是半雙工模式通信，即在收發(fā)信號(hào)中需要按鍵以實(shí)現(xiàn)模塊的轉(zhuǎn)換，而且LCD上能夠?qū)κ瞻l(fā)器的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)反映，以便于操作人員發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)采取有效的措施加以改進(jìn)。此外，由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的控制單元部位均配置有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，因此可以對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析與處理。

2.2通信系統(tǒng)軟件無線通信模塊

在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過程中，主要是借助IAREmbeddedWorkbench平臺(tái)上開發(fā)的C代碼程序?qū)崿F(xiàn)的。發(fā)射機(jī)程序在設(shè)置時(shí)需包含數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送以及顯示等模塊，而接收機(jī)程序在設(shè)置時(shí)應(yīng)包含無線數(shù)據(jù)的接收、地址以及PC機(jī)通信等模塊。與此同時(shí)，在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)上都應(yīng)預(yù)留一個(gè)收發(fā)命令的接口，以便后期工作所需。無線通信模塊的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)nRF2401系統(tǒng)的初始化和無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能。數(shù)據(jù)包協(xié)議格式，PRE-AMBLE主要為8bit前導(dǎo)碼，借助硬件系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)加入；ADDRESS為32bit，用來發(fā)送地址碼；PAYLOAD至少為208bit，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送；CRC是由內(nèi)置CRC糾檢錯(cuò)硬件電路自動(dòng)加上的校驗(yàn)和。通信程序正式啟動(dòng)后，系統(tǒng)首先會(huì)對(duì)MSP430F149初始化、A/D初始化、LCDYJD12864初始化、nRF2401初始化。待初始化工作完成后，即可按鍵中斷。其次，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置收發(fā)健以及空閑健，在工作中若需接收信號(hào)，則只需將按鍵進(jìn)行閉合處理。借助MCU的P2.0引腳控制nRF2401的CE端。當(dāng)系統(tǒng)需要發(fā)送程序時(shí)，則應(yīng)直接寫入nRF2401發(fā)送配置字，再置CE端為高，nRF2401即可進(jìn)入發(fā)送模式。通道1地址和發(fā)送數(shù)據(jù)由P2.7（DATA）引腳依次寫入nRF2401的緩沖區(qū)，nRF2401自動(dòng)加上字頭、CRC校驗(yàn)碼，將數(shù)據(jù)包以一定的通信速率發(fā)射出去。接收程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)接收工作，如需暫停或者中止數(shù)據(jù)的接收，只需按下發(fā)送鍵或者空閑鍵即可退出程序，返回到起始狀態(tài)。

2.3通信系統(tǒng)硬件nRF2401收發(fā)器工作原理

在該系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的控制單位所使用的是由同一公司生產(chǎn)且型號(hào)相同的MCU器件。該芯片具有如下優(yōu)點(diǎn)：一是具備超大的存儲(chǔ)空間；二是能耗低；三是可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于該系統(tǒng)中無線通信模塊所采用的是單片集成射頻無線收發(fā)器nRF2401芯片，因此可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的傳遞。nRF2401芯片使用的是5mm×5mmQFN封裝。芯片雖小，但內(nèi)部功能卻較為齊全，設(shè)置有地址解碼器、時(shí)鐘、解調(diào)處理器等功能模塊。以-5dBm功率發(fā)射時(shí)，工作電流可達(dá)10.5mA，接收時(shí)工作電流為18mA。nRF2401工作原理可基本概括為：2種通信方式、1個(gè)配置字、2個(gè)通道和4種工作模式。兩種通信模式：一是ShockBurstTM（突發(fā)模式），在此種模式下，收發(fā)數(shù)據(jù)主要由nRF2401自動(dòng)處理數(shù)據(jù)包字頭、地址和CRC校驗(yàn)碼加以實(shí)現(xiàn)，突發(fā)模式受外界因素影響的程度較低且能起到節(jié)約資源的目的；二是DirectMode（直接模式），若采取直接模式，則數(shù)據(jù)包字頭、地址等內(nèi)容必須在通信程序中進(jìn)行有效處理。一個(gè)配置字主要是指nRF2401內(nèi)置狀態(tài)字寄存器，主要用來設(shè)置芯片的工作參數(shù)。在ShockBurstTM方式下配置字為15B，DirectMode方式下配置字為2B。由于nRF2401具有ShockBurstTM技術(shù)，當(dāng)信號(hào)被傳輸過來時(shí)，可由兩個(gè)相互獨(dú)立的專用通信進(jìn)行有效接收。通道1、通道2和一般通道只能接收數(shù)據(jù)。若在通道2上連接一個(gè)天線接口，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)的接收工作。但是，通道2不是在任何頻率狀態(tài)下都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。只有當(dāng)它比通道1的頻率高出8MHz以上時(shí)，才能進(jìn)行正常的接收工作。nRF2401所具有的四種工作模式。nRF2401收發(fā)器在工作時(shí)，首先進(jìn)行的是配置模式，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)初始化程序并輸入配置字，配置字的最后一位應(yīng)明確指定2401為收發(fā)狀態(tài)；其次，借助控制器將信號(hào)傳輸出去，使得nRF2401迅速進(jìn)入收發(fā)模式工作。在信號(hào)收發(fā)交互過程中，一方可進(jìn)入空閑模式中，等到所有的數(shù)據(jù)被傳輸完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入關(guān)機(jī)模式中。

3試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

分別將該系統(tǒng)在室內(nèi)走道部位以及室外開闊地段進(jìn)行了無線數(shù)據(jù)的傳輸試驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸距離以及誤碼率進(jìn)行了準(zhǔn)確測定與評(píng)估。在室內(nèi)，走道傳輸距離為70m，而在室外開闊地段傳輸距離可到100m。再加之nRF2401芯片中設(shè)置了一定的CRC糾錯(cuò)電路和協(xié)議，可為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性提供可靠的保障。在此次實(shí)驗(yàn)中，接收數(shù)據(jù)均顯示正常，無異常情況發(fā)生。

4結(jié)語

射頻無線通信技術(shù)大力發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)大型工程機(jī)械駕駛操控室無線通信信號(hào)傳輸。而射頻技術(shù)在工程機(jī)械儀表無線通信中的應(yīng)用，可有效解決當(dāng)前所面臨的長距離信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性，緩解傳統(tǒng)電纜傳輸中存在的不足，具有傳輸速率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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作者：王文娟 曹衛(wèi)洲 趙應(yīng)應(yīng) 單位：西安艾力特電子實(shí)業(yè)有限公司 中大中國石油公司