射頻技術(shù)在工程機(jī)械儀表無(wú)線(xiàn)通信中的應(yīng)用

王文娟曹衛(wèi)洲趙應(yīng)應(yīng)

（1.西安艾力特電子實(shí)業(yè)有限公司，西安 710065；2.中大中國(guó)石油公司，西安 710075）

射頻技術(shù)在工程機(jī)械儀表無(wú)線(xiàn)通信中的應(yīng)用

王文娟1曹衛(wèi)洲2趙應(yīng)應(yīng)1

（1.西安艾力特電子實(shí)業(yè)有限公司，西安 710065；2.中大中國(guó)石油公司，西安 710075）

在工程機(jī)械儀表無(wú)線(xiàn)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(wèn)題，需要借助射頻模塊nRF2401的有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)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(shuō)明，并給出了無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、接口電路及相應(yīng)程序框圖。

射頻技術(shù) 工程機(jī)械儀表 無(wú)線(xiàn)通信

近年來(lái)，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(zhǎng)距離工程操作也變得日益普及。射頻無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信信號(hào)傳輸，大大解決了線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信中的射頻技術(shù)技術(shù)

WLAN技術(shù)是一種很常見(jiàn)的WI-FI技術(shù)，具有很多優(yōu)勢(shì)，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(wú)線(xiàn)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(mǎn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(méi)有形成統(tǒng)一的、完善的標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)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(shì)，能夠很好地保障傳輸無(wú)線(xiàn)信號(hào)的效率。不過(guò)，在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展下，它在具體運(yùn)用過(guò)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(chǎng)各類(lèi)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(wú)線(xiàn)通信模塊

在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是借助IAR Embedded Workbench平臺(tái)上開(kāi)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信模塊的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)nRF2401系統(tǒng)的初始化和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。

數(shù)據(jù)包協(xié)議格式，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)包協(xié)議格式

在表1中，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(lái)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(xiě)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(xiě)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?；蛘咧兄箶?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(wú)線(xiàn)通信模塊所采用的是單片集成射頻無(wú)線(xiàn)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Direct Mode（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(lái)設(shè)置芯片的工作參數(shù)。在ShockBurstTM方式下配置字為15B，Direct Mode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(guò)來(lái)時(shí)，可由兩個(gè)相互獨(dú)立的專(zhuān)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(xiàn)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如表1所示。

表1 nRF2401工作模式與引腳信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系表

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(guò)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(kāi)闊地段進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)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(cè)定與評(píng)估。在室內(nèi)，走道傳輸距離為70m，而在室外開(kāi)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(wú)異常情況發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

射頻無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信信號(hào)傳輸。而射頻技術(shù)在工程機(jī)械儀表無(wú)線(xiàn)通信中的應(yīng)用，可有效解決當(dāng)前所面臨的長(zhǎng)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)。

[1]李會(huì)敏.射頻技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用[J].叉車(chē)技術(shù)，2010，（1）：9.

[2]杜云明，周楊.無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)與應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，（5）：52-55.

Application of Radio Frequency Technology in Wireless Communication of Engineering Machinery

WANG Wen-juan1,CAO Weizhou2,ZHAO Yingying1
(1.Xi’an chelite Electronic Industrial Co. Ltd, Xi’an 710065;2.China Petroleum Corp, Xi’an 710075)

In the construction machinery instrument in wireless communication, according to the environmental factors that lead to large engineering machinery driving signal and control room instrument remote display problems, need to effectively using nRF2401 RF module, wireless data communication function. This paper gives a detailed description of the working principle and characteristics of the radio frequency chip nRF2401, and gives the hardware structure, interface circuit and the corresponding program block diagram of the wireless communication system.

radio frequency technology, engineering machinery, wireless communication