立體車庫無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

周雪松，許立瑾，馬幼捷，張海濤，田 密，齊 鳴

（天津理工大學(xué)，天津 300384）

0 引言

立體車庫作為解決城市停車難的有效手段之一，在其電氣控制系統(tǒng)中主要采用以可編程控制器(PLC)為主要核心，其信號之間采用有線通信的方式進(jìn)行傳輸。有線通信布線多且比較復(fù)雜，在車板移動的過程中，線纜由于被拖拽很容易發(fā)生斷裂，這樣中斷了信號之間的傳輸。又由于數(shù)據(jù)的無線傳輸方式適用于不易布線或或環(huán)境比較惡劣的情況，其應(yīng)用也十分廣泛，已成功應(yīng)用于小區(qū)門禁系統(tǒng)，抄表系統(tǒng)，水質(zhì)監(jiān)測，勘探及生產(chǎn)的監(jiān)測等多個領(lǐng)域，技術(shù)相對成熟。在立體車庫中，為了實現(xiàn)信號之間的有效傳輸，考慮應(yīng)用無線技術(shù)。但到目前為止，在國內(nèi)外的研究中將無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用于立體車庫中并不多見。因而本文提出了一種基于DSP和nRF905模塊的立體車庫無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該立體車庫無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示，其由立體車庫傳感器信號單元、數(shù)據(jù)采集與無線收發(fā)單元、無線收發(fā)與中央處理單元組成。其系統(tǒng)采用主從分布式的組成結(jié)構(gòu),由一臺主機(jī)（DSP）、多個從機(jī)(微控制器)和同等數(shù)量的無線收發(fā)模塊組成。主機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心,它控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行。從機(jī)用來采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)及向主機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。無線收發(fā)模塊則用來實現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)的無線通信。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器信號

立體車庫傳感器信號單元包括限位開關(guān)、極限開關(guān)和光電開關(guān)，其輸出信號全為數(shù)字量。

2.2 數(shù)據(jù)采集與無線收發(fā)單元

立體車庫的數(shù)據(jù)采集與無線收發(fā)單元由微控制器和無線收發(fā)模塊組成。

2.2.1 芯片的選擇

1）微控制器的選擇。我們選用的是Atmel公司的AT89C51單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能的、片內(nèi)含有4KB Flash ROM 的8位CMOS單片機(jī)，工作電壓范圍為2.7～6V（實際使用+5V供電，8位數(shù)據(jù)總線。它有一個可編程的全雙工串行通信接口，能同時進(jìn)行串行發(fā)送和接收。通過RXD引腳(串行數(shù)據(jù)接收端)和TXD引腳（串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）與外界進(jìn)行通信。

2）無線收發(fā)模塊的選擇。我們選用的是挪威Nordic VLSI 公司推出的nRF905無線收發(fā)一體的芯片,工作電壓為1.9～3.6 V ,32引腳QFN 封裝(5 mm×5 mm) ,工作于433/ 868/915 MHz 三個ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)) 頻道,頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650μs。nRF905 由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成,不需外加聲表面濾波器。使用SPI 接口與微控制器通信,Shock Burst工作模式,自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗) ,配置非常方便。此外,其功耗非常低,以- 10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA ,工作于接收模式時的電流為12.5mA ,內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式,易于實現(xiàn)節(jié)能。

2.2.2 無線收發(fā)模塊的工作模式

nRF905 有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是Shock Burst接收模式和Shock Burst發(fā)送模式；兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN 和PWR_UP 三個引腳決定,（0代表低電平，1代表高電平，X代表高電平或低電平任意狀態(tài)），詳見表1。

表1 nRF905工作模式

2.2.3 硬件電路設(shè)計

1）接口電路的設(shè)計。此接口電路是指立體車庫傳感器信號和AT89C51單片機(jī)之間的接口。輸出信號為4-20mA的傳感器，一般輸出負(fù)載阻抗是200--250歐姆(最大不超過400歐姆)，如以200歐姆計算，電壓變化范圍就是0.8v～4v，而AT89C51單片機(jī)的工作電壓為+5V,所以傳感器和單片機(jī)需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。

2）SPI接口電路的設(shè)計。無線收發(fā)模塊nRF905使用SPI接口與AT89C51單片機(jī)進(jìn)行通信，如圖2所示。

圖2 nRF905與AT89C51通信圖

2.3 無線收發(fā)與中央處理單元

無線收發(fā)與中央處理單元由無線收發(fā)模塊nRF905和數(shù)字信號處理器（DSP）組成。

2.3.1 芯片的選擇

我們選用的中央處理器是T I公司的TMS320F2812 DSP芯片，其具有面向控制的32位定點，主頻150MHz，具有豐富的片上外設(shè)，尤其是12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換模塊和脈沖輸出的PWM模塊，以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

2.3.2 硬件電路設(shè)計

此接口電路主要實現(xiàn)無線收發(fā)模塊nRF905與DSP之間的電平轉(zhuǎn)換。（DSP的工作電壓為+3.3V，而nRF905的輸出信號為+5V電平）。其由去耦電路、電平轉(zhuǎn)換電路和濾波電路組成，如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 無線發(fā)送系統(tǒng)程序設(shè)計

發(fā)送端的單片機(jī)將接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫完后，就要控制nRF905 模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去，nRF905 模塊在發(fā)送模式時會自動產(chǎn)生字頭和CRC 校驗碼。當(dāng)發(fā)送過程結(jié)束后，nRF905模塊的數(shù)據(jù)傳輸完成管腳會通知單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

下面為典型的nRF905 模塊數(shù)據(jù)發(fā)送流程：

1）當(dāng)微控制器要發(fā)送數(shù)據(jù)時，將接收機(jī)的地址和發(fā)送數(shù)據(jù)通過SPI 接口傳輸給nRF905 模塊；

2）微控制器設(shè)置TRX_CE 和TX_EN 管腳同時置為高電平，啟動發(fā)送端的nRF905 模塊為發(fā)送模式；

3）發(fā)送端的nRF905 模塊發(fā)送過程處理：

（1）射頻寄存器開啟；

（2）數(shù)據(jù)打包（加字頭和CRC 校驗碼）；

（3）數(shù)據(jù)包發(fā)送；

（4）當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束，將數(shù)據(jù)發(fā)送完成管腳（DR 管腳）置為高電平；

4）如果AUTO_RETRAN 被設(shè)置為高，nRF905 模塊將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到TRX_CE被設(shè)置為低；

5）TRX_CE 被設(shè)置為低時，nRF905 模塊數(shù)據(jù)包發(fā)送過程結(jié)束并回到待機(jī)模式。

3.2 無線接收系統(tǒng)程序設(shè)計

接收端的單片機(jī)控制nRF905 模塊進(jìn)入接收模式后，當(dāng)nRF905 模塊監(jiān)測到有同一頻段的載波信號且接收到相匹配的地址時，就開始數(shù)據(jù)包接收。當(dāng)數(shù)據(jù)包正確接收完畢后，接收端的單片機(jī)在nRF905 模塊處于待機(jī)狀態(tài)時通過SPI 接口提取數(shù)據(jù)包中的有效接收數(shù)據(jù)。

下面為典型的nRF905 模塊數(shù)據(jù)接收流程：1）微控制器控制TRX_CE 為高電平、TX_EN為低電平，nRF905 模塊進(jìn)入接收模式；

2）650us 后，nRF905 模塊監(jiān)測空中的信息，等待接收數(shù)據(jù)；

3）當(dāng)nRF905 模塊檢測到與接收頻率相同的載波時，設(shè)置載波檢測管腳（CD 管腳）為高電平；

4）當(dāng)nRF905 模塊接收到有效的地址時，設(shè)置地址匹配管腳（AM 管腳）為高電平；

5）當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢后，nRF905模塊自動去掉數(shù)據(jù)包的字頭、地址和CRC 校驗碼，然后將數(shù)據(jù)接受完成管腳置為高電平；

6）微控制器將TRX_CE 設(shè)置為低電平；

7）微控制器通過SPI 接口以一定的速率提取數(shù)據(jù)包中的有效接收數(shù)據(jù)；

8）當(dāng)所有的有效數(shù)據(jù)接收完畢，微控制器控制nRF905模塊數(shù)據(jù)接收完成管腳（DR 管腳）和地址匹配管腳（AM管腳）為低電平；

圖3 接口電路圖

9）nRF905 進(jìn)入待機(jī)模式。

4 結(jié)束語

本文將DSP芯片和無線收發(fā)模塊nRF905應(yīng)用于立體車庫的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，在國內(nèi)外的研究中并不多見。其創(chuàng)新點在于：1）最大程度地避免了車位在運(yùn)動過程中由于拖拽電纜而造成電纜的損壞的情況，有效地保證了信號之間的傳輸；2）將DSP芯片取代PLC作為立體車庫采集系統(tǒng)的中央處理單元，在采集的速度和精度上較PLC都有很大的提高，從而增強(qiáng)了車位運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，保證立體車庫系統(tǒng)安全運(yùn)行。鑒于此，筆者認(rèn)為基于DSP和nRF905模塊的立體車庫無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將對研究該方向的工程技術(shù)人員有很大的借鑒意義。

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