無線射頻模塊在曲軸臂距差測量中的應(yīng)用

張雙喜，林金表

(集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建廈門361021)

0 引言

曲軸作為柴油機的核心部件，其工作狀態(tài)的好壞直接影響柴油機工作的可靠性和使用壽命.曲軸臂距差是柴油機曲軸的一個重要參數(shù)，可以反應(yīng)柴油機曲軸的整體性能和工作狀況［1］.因此，正確有效的曲軸臂距差測量對柴油機的維護保養(yǎng)是非常必要的.

目前曲軸臂距差測量主要采用機械式拐擋表和有線數(shù)顯式臂距差測量儀.機械式拐檔表操作不便且讀數(shù)通常需要借助反光鏡，易造成視覺誤差.國內(nèi)在有線數(shù)顯式臂距差測量儀方面做過研究的有:海軍工程大學(xué)劉伯運等［2］提出運用線性CCD位移測量系統(tǒng)來測量臂距差，該方法雖然提高了測量的精確度，但實船使用還需進一步研究.集美大學(xué)鄭和東等［3］提出采用差動變壓式位移傳感器采集曲軸臂距差信號，該方法雖然實現(xiàn)了數(shù)顯功能，但在測量過程中采用有線傳輸信號的方式，會出現(xiàn)因曲軸轉(zhuǎn)動而帶動信號傳輸線繞動，造成測量不方便和誤差，并且該方法不能連續(xù)測量.為此，本文擬設(shè)計一種以單片機作為核心控制芯片，采用無線射頻模塊nRF24L01實現(xiàn)雙向通信的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以期解決上述問題.

1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計的無線曲軸臂距差測量儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示.系統(tǒng)將位移傳感器、單片機1和無線模塊一端組成臂距差測量儀的數(shù)據(jù)采集端;將曲柄角度檢測傳感器、單片機2、無線模塊一端及液晶顯示作為臂距差信號分析處理端.臂距差測量的是曲柄臂處在0°、90°、165°、195°、270°，5個位置時的數(shù)值，單片機2檢測曲柄臂角度，通過無線模塊傳輸角度信號來通知數(shù)據(jù)采集端進行臂距差采集;單片機1將采集到的臂距差信號與其角度一一對應(yīng)暫存.待收到單片機2的發(fā)送臂距差指令時，單片機1將角度以及與其對應(yīng)的臂距差值通過無線模塊發(fā)送給單片機2.

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Diagram of system configuration

2 傳感器的設(shè)計

2.1 霍爾式位移傳感器的設(shè)計

臂距差測量儀需要用高精度位移傳感器，但這類傳感器市場售價較高，為了降低臂距差測量儀設(shè)計成本，提高其性價比，筆者設(shè)計了霍爾式的微位移傳感器以滿足臂距差測量儀的要求.

根據(jù)霍爾效應(yīng)原理有:UH=RHIH·B/d.其中:UH為中位差;IH為電流強度;B為磁感應(yīng)強度;d為薄片厚度;RH為霍爾系數(shù).根據(jù)永磁體磁場分布，兩磁鋼同極相對放置時，極間的磁強度分布與距離有一段具有較好的線性關(guān)系［4］.若令霍爾元件的工作電流保持不變，在一個均勻梯度磁場中移動即dB/dz=k，令RH·IH/d=M(M為定值)，則dUH/dz=MdB/dz，積分得UH=Mkz.即霍爾元件輸出的霍爾電壓UH值只由它在該磁場中的位移量z來決定［5］.

霍爾傳感器的機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.傳感器部分的設(shè)計選用了一片AH49E線性霍爾元件和兩塊Φ3 mm的磁鋼，兩塊磁鋼同極性相對放置.其他結(jié)構(gòu)選用鋁質(zhì)的材料進行設(shè)計，避免對磁鋼產(chǎn)生干擾.調(diào)距螺栓可以實現(xiàn)對于不同結(jié)構(gòu)的曲軸進行臂距差測量的要求.

圖2 霍爾式位移傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.2 Mechanical structure design sketch of Hall sensor

2.2 曲柄角度檢測

曲柄角度檢測模塊設(shè)計主要利用開關(guān)型霍爾元件在磁鋼的作用下輸出的數(shù)字脈沖信號，將此數(shù)字信號傳輸給單片機，單片機根據(jù)這個信號來控制是否對曲軸臂距差進行采集，此模塊的示意圖如圖3所示.在進行柴油機某一缸臂距差測量時，將5個磁鋼固定安裝在主機的盤車機上，這5個磁鋼的位置與曲柄臂所處的臂距差測量位置相對應(yīng)，即曲柄臂處在 0°、90°、165°、195°、270°位置. 開關(guān)型霍爾元件安裝在盤車機臺上，當磁鋼轉(zhuǎn)到與霍爾元件相近的位置時，霍爾元件就會輸出數(shù)字脈沖信號，將此信號傳輸給單片機2.

圖3 曲柄角度檢測Fig.3 Crank angle detection

3 無線發(fā)射、接收模塊的硬件電路設(shè)計

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器，其頻段為2.4～2.5GHz，其內(nèi)置頻率合成器、晶體振蕩器、功率放大器、調(diào)制器等功能模塊，并且還融合了增強型ShockBurstTM技術(shù)，可通過程序?qū)敵龉β屎屯ㄐ蓬l道進行配置;其次nRF24L01功耗低，具有掉電模式和空閑模式等多種低功率工作模式，使節(jié)能設(shè)計更方便［6-7］.nRF24L01采用GFSK調(diào)制，具有自動應(yīng)答，自動再發(fā)射功能，片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼等特性.本系統(tǒng)選擇的單片機無SPI總線，需要通過I/O口模擬SPI串行總線才能與nRF24L01無線收發(fā)模塊之間進行通信.

nRF24L01與單片機相連組成的無線發(fā)射、接收模塊原理圖如圖4所示.無線模塊的外接引腳CE、CSN、SCK、MISO、MOSI分別與單片機的P1.0—P1.4引腳相連，IRQ引腳與單片機的INT0口連接.CE為片選端，與CONFIG寄存器的PWR_UP和PRIM_RX組合，用于選擇模塊的工作方式;CSN是SPI片選使能信號，低電平有效;SCK是串行時鐘線;MISO、MOSI分別是SPI口的數(shù)據(jù)輸入端和數(shù)據(jù)輸出端;IRQ是模塊的中斷請求信號，當nRF24L01產(chǎn)生中斷后IRQ將置低，單片機檢測到此中斷后通過程序得知與無線射頻nRF24L01模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)情況;VDD_PA端為功率放大電源輸出端，ANT1、ANT2是無線模塊的天線接口，設(shè)計合理優(yōu)質(zhì)的天線有利于信號的傳送，本模塊選用的是板載天線.

圖4 nRF24L01與單片機連接原理圖Fig.4 The connection diagram of NRF24L01Module and MCU

4 軟件設(shè)計

4.1 無線發(fā)射模塊的軟件設(shè)計

無線發(fā)射模塊的流程圖如圖5所示.采用定時1 ms中斷.角度無線發(fā)射時，單片機2作為發(fā)送端控制器每1 ms執(zhí)行中斷，檢測角度傳感器是否采集到角度，若傳感器已采集到角度數(shù)據(jù)，立刻執(zhí)行無線模塊發(fā)射程序，將角度傳送給單片機1進行臂距差數(shù)據(jù)采集;角度發(fā)送結(jié)束后進行臂距差無線發(fā)送，單片機1作為發(fā)送端控制器每1ms執(zhí)行中斷，檢測位移傳感器是否已完成5個角度的臂距差采集，若檢測到臂距差采集完成則執(zhí)行無線模塊發(fā)射程序，將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機2.單片機通過SPI口把地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)按照時序?qū)懭雗RF24L01緩存區(qū)，TX_PLD須在CSN為低電平時連續(xù)寫入.設(shè)置CE的高電平并且持續(xù)15 μs，使模塊處于發(fā)射狀態(tài)，置CE為低電平，使模塊停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完為止，然后延時130 μs.在發(fā)射數(shù)據(jù)后nRF24L01自動進入接收模式等待應(yīng)答信號，若檢測到TD_DS=1，則認為此次通信成功，系統(tǒng)立刻將標志寄存器清空以準備發(fā)送下一組數(shù)據(jù);若未收到應(yīng)答信號則將重新再次發(fā)送數(shù)據(jù)，若重發(fā)次數(shù)達到設(shè)置上限，MAX_RT置高，且CE為高，則中斷返回.

4.2 無線接收模塊的軟件設(shè)計

無線接收模塊的流程圖如圖6所示.當檢測到外部中斷0時無線模塊即進入接收狀態(tài)，置使能信號CE為高電平，延遲130 μs后進入接收狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)的到來.當接收模塊檢測到有效地址時，就將數(shù)據(jù)包存儲在模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，同時檢測狀態(tài)寄存器中的中斷標志位RX_DR電平，若RX_DR為高電平則通知單片機發(fā)讀數(shù)指令，并且將數(shù)據(jù)讀取下來，當接收到數(shù)據(jù)后，nRF24L01會自動發(fā)送應(yīng)答信號給發(fā)送端，以確認接收端收到信號，隨后系統(tǒng)立刻將標志寄存器清空以準備接收下一組數(shù)據(jù);若RX_DR為低電平，則清除中斷標志位準備接收下一組數(shù)據(jù).

圖5 nRF24L01的發(fā)送端流程圖Fig.5 Flow chart of nRF24L01 sender

圖6 nRF24L01的接收端流程圖Fig.6 Flow chart of nRF24L01 receiver

4.3 無線模塊的通信協(xié)議

大多數(shù)無線模塊選用的通信協(xié)議是基于SW-ARQ協(xié)議，即停止等待自動重傳請求協(xié)議.每傳輸一幀信息，接收端都會給發(fā)送端發(fā)送確定應(yīng)答信號 (ACK).采用這種方式，在信道良好的情況下重復(fù)發(fā)送確定應(yīng)答 (ACK)信號會導(dǎo)致前向頻帶的通過率低，系統(tǒng)傳輸幀所需時間長.另一種無線通信協(xié)議是采用 SW-ARQ和連續(xù)發(fā)送相結(jié)合的通信協(xié)議［8］.本文所設(shè)計的測量儀中無線模塊nRF24L01之間的通信即選取SW-ARQ和連續(xù)發(fā)送相結(jié)合的通信協(xié)議.本協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式包含幀頭、接收地址、包控制、數(shù)據(jù)載荷和循環(huán)冗余校驗 (CRC).其中包控制包括有效載荷長度、PID和無回復(fù)標識.根據(jù)無線模塊的特點，它只能同時存儲3個數(shù)據(jù)包，并且在接收端還需要設(shè)置一個用來記錄數(shù)據(jù)包的ID號的PID寄存器來反饋數(shù)據(jù)包的接收情況.nRF24L01具有增強型ShockBurst的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，增加了一個9 bit大小的包控制段，通過包控制段中的數(shù)據(jù)包標志碼 (PID)，可以識別不同的數(shù)據(jù)包.

系統(tǒng)初始化后，無線模塊進入連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包的狀態(tài).nRF24L01的發(fā)送端將需要傳輸?shù)谋劬嗖顢?shù)據(jù)打包處理后，發(fā)送至接收端，此時數(shù)據(jù)包的控制段設(shè)置成接收端不需要回執(zhí).如果連續(xù)N次發(fā)送成功則一直進行連續(xù)發(fā)送狀態(tài);若收到接收端的NAK信號，就停止連續(xù)發(fā)送，改為SW-ARQ發(fā)送數(shù)據(jù).此種狀態(tài)下，接收端的工作取決于單片機中的PID寄存器.如果相應(yīng)位全為高電平，則表示發(fā)送的數(shù)據(jù)包全部接收成功，反饋回發(fā)送端一個ACK信號，讓其繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包;反之，則表示傳輸過程中數(shù)據(jù)包產(chǎn)生了錯誤，接收端將PID寄存器中的數(shù)據(jù)作為有效載荷回執(zhí)給發(fā)送端，發(fā)送端收到回執(zhí)信號后，將出錯的數(shù)據(jù)包再次發(fā)送.

本系統(tǒng)在采集臂距差數(shù)據(jù)時，通過角度傳感器檢測曲柄臂在0°時，單片機2將角度發(fā)送給單片機1，數(shù)據(jù)采集端立刻啟動采集臂距差子程序，并將采集到的臂距差值與其對應(yīng)角度存儲起來.90°、165°、195°、270°4個位置采用同樣的方式進行臂距差采集.待5點臂距差數(shù)據(jù)采集完畢，單片機1將臂距差數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給單片機2，單片機2根據(jù)角度值接收對應(yīng)的臂距差值并進行相關(guān)數(shù)據(jù)分析處理.讀取BJCdat程序如下:

5 實驗測試

通過實驗測試，無線射頻模塊能夠準確地將位移傳感器采集到的實驗數(shù)據(jù)發(fā)送到主控單片機上，并進行顯示.圖7是實驗得到的霍爾式位移傳感器電壓與位移的變化關(guān)系圖，從圖中可以直觀地看出電壓與位移的變化呈近似線性關(guān)系，且霍爾式位移傳感器測量精度可以達到0.005 mm.

圖7 位移與霍爾元件輸出電壓變化的關(guān)系圖Fig.7 The diagram of displacement and the output voltage change

6 結(jié)論

本文將無線射頻模塊nRF24L01應(yīng)用于臂距差測量儀系統(tǒng)中，采用SW-ARQ和連續(xù)發(fā)送相結(jié)合的通信協(xié)議來提高信號傳輸效率。實驗結(jié)果表明:1)采用無線射頻模塊nRF24L01大大簡化了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，同時提高了系統(tǒng)信號傳輸?shù)目煽啃?2)曲軸臂距差測量儀測量精度能夠達到0.005 mm;3)該系統(tǒng)實現(xiàn)了臂距差的連續(xù)測量，解決了有線數(shù)顯式測量儀的缺陷，能夠為輪機員進行臂距差測量工作帶來方便，提高工作效率.

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