基于nRF24LE1的掘進(jìn)機(jī)遙控裝置設(shè)計(jì)

趙四海等

摘 要：該文提出了一種基于2.4 GHz無線射頻芯片nRF24LE1的掘進(jìn)機(jī)遙控裝置的設(shè)計(jì)方案。闡述了如何通過nRF24LE1實(shí)現(xiàn)遙控操作的過程。介紹了基于片上系統(tǒng)nRF24LE1的遙控裝置硬件設(shè)計(jì)和無線收發(fā)流程，建立了nRF24LE1和機(jī)載PLC之間RS485通訊協(xié)議。該裝置具有性能穩(wěn)定可靠，成本低，人機(jī)界面良好的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機(jī) 遙控裝置 nRF24LE1 PLC

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（a）-0050-03

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下巷道掘進(jìn)的重要設(shè)備，傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)作業(yè)依賴掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的手動(dòng)操作，主要通過操作箱上的按鈕以及油缸換向閥來完成采掘工作[1]。一方面，由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，通常巷道內(nèi)伴隨著高溫、高壓環(huán)境以及高瓦斯?jié)舛龋踩鹿暑l發(fā)；另一方面，掘進(jìn)機(jī)工作現(xiàn)場的粉塵以及機(jī)體振動(dòng)等因素給操作人員的工作帶來了很大的困難，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度較大，掘進(jìn)效率難以得到保障。針對以上情況，該文提出了一種基于nRF24LE1的掘進(jìn)機(jī)遙控裝置的設(shè)計(jì)方案，通過手持式遙控器實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)工作參數(shù)的監(jiān)測以及掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的控制。該裝置可穩(wěn)定運(yùn)行于惡劣的掘進(jìn)環(huán)境，有效地保證了掘進(jìn)機(jī)操作人員的人身安全，減少安全事故的發(fā)生，全面提升掘進(jìn)機(jī)的工作效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

掘進(jìn)機(jī)遙控裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由手持式遙控器、機(jī)載收發(fā)器和機(jī)載PLC組成。由于一般要求對掘進(jìn)機(jī)的遙控有效距離是15 m，故裝置采用nRF24LE1射頻芯片即可達(dá)到要求。手持式遙控器是以片上系統(tǒng)nRF24LE1無線射頻芯片為核心，外接LCD液晶顯示模塊以及功能鍵組成。機(jī)載收發(fā)器由nRF24LE1射頻芯片以及RS485通訊端口組成，通過RS485總線與機(jī)載PLC進(jìn)行通信。

遙控裝置的工作過程大致為：掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)上電后，操作人員按下遙控器上的按鈕后，遙控器發(fā)出無線遙控信號，位于主控箱內(nèi)的機(jī)載收發(fā)器接收到無線信號后，經(jīng)處理后輸入機(jī)載收發(fā)器的單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)通過485通信端口與PLC通訊，然后PLC檢測到信號后，經(jīng)程序處理輸出控制信號；當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，PLC檢測到故障信號后通過485通訊端口傳輸?shù)綑C(jī)載收發(fā)器，機(jī)載收發(fā)器存儲故障原因并將故障信號傳輸?shù)竭b控器，遙控器檢測到故障信號后，在顯示屏上顯示故障信號并提醒操作人員處理故障。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 手持式遙控器

手持式遙控器主要由無線收發(fā)模塊、顯示模塊、功能鍵、控制單元以及本安電池組成，硬件框圖如圖2所示。遙控器主要實(shí)現(xiàn)控制油泵、截割、二運(yùn)、風(fēng)機(jī)電機(jī)的啟停，工作參數(shù)的顯示等功能。遙控器發(fā)出的無線控制指令經(jīng)過機(jī)載接收器中無線接收模塊的接收、解調(diào)，控制信號驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，動(dòng)作的節(jié)點(diǎn)信號送入PLC的開關(guān)量輸入端，經(jīng)PLC處理輸出控制信號，使掘進(jìn)機(jī)完成相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遙控功能。

根據(jù)實(shí)際要求，遙控器與機(jī)載收發(fā)器采用相同的無線射頻芯片，即Nordic公司生產(chǎn)的超低功耗nRF24LE1無線射頻芯片。nRF24LE1內(nèi)部集成了增強(qiáng)型8位8051 MCU和nRF24L01+2.4 GHz射頻收發(fā)器，并通過SPI接口進(jìn)行通信[2]。片內(nèi)集成14路6～12位的A/D轉(zhuǎn)換器，模擬信號經(jīng)簡單的濾波后可以直接接入nRF24LE1，不需要信號調(diào)理電路。工作于2.4～2.5 GHz的ISM頻段，有多達(dá)125個(gè)頻點(diǎn)，可通過改變頻率的方式來避免干擾，最大傳輸速率可達(dá)2 Mbit/s，室內(nèi)傳輸距離可達(dá)30～40 m [3]。

遙控器采用本安電池供電。顯示屏采用液晶顯示模塊VLCM12864，對掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的重要工礦參數(shù)進(jìn)行顯示。遙控器共用6個(gè)按鍵，分別是開機(jī)鍵、急停鍵、油泵啟動(dòng)鍵、截割啟動(dòng)鍵、二運(yùn)啟動(dòng)鍵、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)鍵。

2.2 機(jī)載收發(fā)器

機(jī)載收發(fā)器同樣采用nRF24LE1無線射頻芯片。芯片內(nèi)部集成的MCU通過通訊電路與PLC進(jìn)行485通訊，通訊電路如圖3所示，其中A、B兩端為485通訊接口，通過通訊電路與固定操作站、無線遙控站通訊，實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)的控制以及工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。機(jī)載收發(fā)器與PLC之間采用主從方式通信，PLC每隔200 ms向機(jī)載收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)，其接收到數(shù)據(jù)后存儲到MCU的存儲器中，同時(shí)通過無線模塊向遙控器發(fā)送信號。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

主程序由遙控器程序和機(jī)載收發(fā)程序兩部分，軟件流程圖如圖4所示。遙控器上電后，首先對nRF24LE1內(nèi)部MCU以及外圍硬件進(jìn)行初始化，然后打開中斷并進(jìn)入省電模式。其中，按鍵信號的接收及處理均采用中斷方式，大大減輕MCU的負(fù)擔(dān)，降低功耗。在此過程中系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，MCU強(qiáng)制進(jìn)入運(yùn)行模式，調(diào)用相應(yīng)中斷服務(wù)程序處理按鍵信號。系統(tǒng)掃描到的按鍵信號后將發(fā)出無線按鍵指令，發(fā)送完畢后，對發(fā)送的指令進(jìn)行校驗(yàn)；若發(fā)送不成功，則重新發(fā)送直至校驗(yàn)正確。同時(shí)，系統(tǒng)也接收機(jī)載收發(fā)器發(fā)送的信號，并對接收信號進(jìn)行校驗(yàn)，若接收信號不成功，則發(fā)出指令重新接收直至接收成功，最后將接收的信號送至VLCM12864模塊上顯示。發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，顯示燈閃爍一次表示收發(fā)成功。系統(tǒng)在完成每次收發(fā)協(xié)作后進(jìn)入低功耗模式，等待下一步動(dòng)作。機(jī)載收發(fā)器上電后，首先對nRF24LE1內(nèi)部MCU以及外圍硬件進(jìn)行初始化，然后檢測有無無線信號可接收，若有無線信號接收，則對信號接收并校驗(yàn)。同時(shí)機(jī)載收發(fā)器反饋PLC的信號，將反饋數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送并校驗(yàn)，直至發(fā)送成功。在數(shù)據(jù)校驗(yàn)中，其核心問題在于校驗(yàn)一組數(shù)據(jù)的正確性及數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。若數(shù)據(jù)發(fā)送錯(cuò)誤，則將標(biāo)志清零；若數(shù)據(jù)發(fā)送正確且是發(fā)送給本機(jī)，在主程序中決定是否發(fā)送顯示數(shù)據(jù)和按鍵數(shù)據(jù)。當(dāng)主程序發(fā)送完這些數(shù)據(jù)后，將重新進(jìn)入省電模式。

3.2 無線收發(fā)程序

nRF24L1內(nèi)置有8051內(nèi)核芯片，無線射頻收發(fā)功能主要是通過訪問其內(nèi)部寄存器register map設(shè)置芯片的工作方式，相應(yīng)的通訊存儲器TXFIFOs以及RXFIFOs用于存儲無線發(fā)送和接收的通訊數(shù)據(jù)[4]。本設(shè)計(jì)采用了Enhance ShockBurstTM收發(fā)模式通訊，即位于電控箱內(nèi)的機(jī)載收發(fā)站與手持式遙控器之間的通訊模式采用Enhance ShockBurstTM，相應(yīng)的通訊數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。Enhance ShockBurstTM數(shù)據(jù)包基于可靠數(shù)據(jù)雙向鏈路層，主發(fā)送端發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包后自動(dòng)進(jìn)入接收模式，主接收端接收數(shù)據(jù)后自動(dòng)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)應(yīng)答。同時(shí)射頻芯片內(nèi)部遵循高速處理的RF協(xié)議，自動(dòng)處理前導(dǎo)碼和 CRC校驗(yàn)碼，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)只需將數(shù)據(jù)放入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，器件會(huì)自行產(chǎn)生前導(dǎo)字符和CRC校驗(yàn)碼，并將這些數(shù)據(jù)地址和地址信息、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)等組成一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。endprint

無線收發(fā)程序包括接收程序和發(fā)送程序。發(fā)送程序通過主程序調(diào)用子程序，其主要功能是將鍵盤的鍵值打包發(fā)送至主控器，以控制掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。接收程序是通過中斷程序來完成，用以接收從主控器發(fā)送的掘進(jìn)機(jī)各電機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。無線發(fā)送模塊處于發(fā)送模式時(shí)，要置高POR_UP，置低PRIM_RX位，TX FIFO不為空，rfce位置高10 μs后置低進(jìn)入發(fā)送模式，發(fā)射器將保持在發(fā)送模式直到數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢。此時(shí)若rfce為零，收發(fā)器返回待機(jī)模式[5，6]。若rfce為1且TX FIFO不為空，則收發(fā)器繼續(xù)保留在發(fā)送模式并發(fā)送下一數(shù)據(jù)包。在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，不能收發(fā)器置于發(fā)射模式超過4ms。模塊處于接收模式時(shí)，要將PWR_UP位、PRIM_RX位以及rfce位置1，從而對信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)刂放c自身地址一致且CRC校驗(yàn)正確時(shí)，有效數(shù)據(jù)被送到RX FIFOs。若RX FIFOs已滿，則數(shù)據(jù)包被丟棄。

3.3 液晶顯示程序

遙控站顯示程序作為一個(gè)人機(jī)交互程序供主程序調(diào)用，主要用于顯示掘進(jìn)機(jī)相關(guān)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和故障狀態(tài)，程序主要實(shí)現(xiàn)對液晶模塊VLCM12864的使用。PLC將實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)的各種參數(shù)，并將油泵、截割、二運(yùn)、風(fēng)機(jī)電機(jī)等關(guān)鍵參數(shù)發(fā)送給機(jī)載收發(fā)器，再發(fā)送至遙控器上，遙控器接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后送入VLCM12864模塊顯示，顯示流程圖如圖5所示。

3.4 通訊協(xié)議

系統(tǒng)通訊通過PLC作為主機(jī)來實(shí)現(xiàn)，PLC與機(jī)載收發(fā)器采用RS485接口實(shí)現(xiàn)通訊，總線協(xié)議上采用Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議中波特率為19200bps，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用查詢法CRC校驗(yàn)。PLC中設(shè)置為主站，并用F145 SEND指令，設(shè)置發(fā)送Modbus地址、從站地址，以及發(fā)送內(nèi)容。

4 結(jié)語

通過調(diào)試與試驗(yàn)，采用基于2.4 GHz無線射頻芯片nRF24LE1的掘進(jìn)機(jī)遙控裝置具有成本低、體積小、功耗低及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。該裝置可實(shí)現(xiàn)對油泵、風(fēng)機(jī)、二運(yùn)、截割電機(jī)等相關(guān)工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障與隱患并采取相應(yīng)的措施，確保掘進(jìn)機(jī)安全可靠運(yùn)行；減輕了工人的工作強(qiáng)度，改善了工人的工作環(huán)境，提高了工作效率。

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