基于無線傳輸?shù)墓怆姕y速系統(tǒng)分析

李 勇

（長沙礦山研究院有限責(zé)任公司檢測中心，湖南 長沙 410002）

1 概述

目前對提升速度的測量手段是采用光電轉(zhuǎn)速表測量電動機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，再通過減速比和滾筒直徑換算成提升設(shè)備線速度，或者采用測速發(fā)電機(jī)來測量速度。這些方法準(zhǔn)確度低，同時檢測檢驗(yàn)手段也十分落后，主要體現(xiàn)在檢測檢驗(yàn)方法本身在檢測檢驗(yàn)過程中需要檢測檢驗(yàn)人員近距離手持測量，對檢測檢驗(yàn)人員的安全構(gòu)成了威脅，存在很大的安全隱患，直接涉及到檢測檢驗(yàn)人員的生命安全。同時礦山井巷工作環(huán)境錯綜復(fù)雜，采用有線電纜傳輸數(shù)據(jù)會給檢測工作帶來些許不便。基于無線傳輸?shù)墓怆姕y速系統(tǒng)較好的解決了上述問題，并提高了檢測的安全性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 無線傳輸?shù)墓怆姕y速系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本方案中，無線傳輸?shù)墓怆姕y速系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，系統(tǒng)主要完成光電模擬信號的采集和處理、無線收發(fā)系統(tǒng)傳輸協(xié)議構(gòu)建、以及后端無線傳輸信號調(diào)制解調(diào)，最后實(shí)現(xiàn)速度測量，顯示，存儲等功能。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）光電信號采集發(fā)射端放大濾波電路設(shè)計(jì)：由于光電池輸出的信號幅值小、頻率高，因此放大電路要求所選器件頻響快且噪聲系數(shù)處于較低水平。本文信號放大電路采用二級放大，第一級的放大電路應(yīng)用的場效應(yīng)管對電壓進(jìn)行控制，第二級放大電路包括了兩個LF353，利用元件噪聲低，帶寬高的特點(diǎn)，能夠很好地將小信號的放大。濾波電路選擇帶通濾波，該濾波電路帶通能達(dá)到20Hz～5000Hz，能實(shí)現(xiàn)測量速度0.08m/s～20m/s。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

（2）信號采集及處理電路設(shè)計(jì)：本文系統(tǒng)選擇DSP（TMSC6713）作為信號處理芯片，其主頻可達(dá)200MHz。A/D采樣采用ADS7864芯片，12位精度，500k轉(zhuǎn)換速率，6路差分輸入，滿足光電信號的采樣速率要求。

圖2 信號采集及處理電路

信號采集和處理電路如如圖2所示，雙極性輸入電路，輸入范圍±2.5V，對應(yīng)的ADS7864的輸入端CHA0為0V～5V。TMS320C6713通過CPLD對ADS7864進(jìn)行地址選通和讀寫操作。

（3）無線發(fā)射端硬件設(shè)計(jì)：本文無線發(fā)射和模塊采用nRF24LE1。nRF24LE1使用與nRF2401+同樣的內(nèi)嵌協(xié)議引擎的2.4Hz GFSK收發(fā)器，無線模塊可以配置CONFIG寄存器中的PWR_UP、PRIM_RX，rfce，rfcsn的值來實(shí)現(xiàn)四種工作模式；無線模塊可以采用ShockBurst增強(qiáng)型模式發(fā)送數(shù)據(jù)，極大提高系統(tǒng)的節(jié)電和通信效率。nRF24LE1通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口與TMS320C6713進(jìn)行通信。

（4）無線接收端硬件設(shè)計(jì)：本文無線接收模塊采用nRF24LE1。nRF24LE1與ARM處理器之間通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口進(jìn)行通信，標(biāo)準(zhǔn)的SPI主要包括MOSI、MISO、SCK、CSN共4個信號，然后將可屏蔽中斷引腳（IRQ）、使能信號（CE）分別連接到ARM處理器上的外部中斷接口。

（5）嵌入式ARM處理器S3C2440及外圍電路：本文系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)速度的測量、顯示和存儲，系統(tǒng)選用普及程度高、成本低的S3C2440作為主控芯片?；贏RM處理器和無線模塊電源要求，選用AMS1117-3.3芯片作為穩(wěn)壓芯片搭配旁路電容，為系統(tǒng)后端接收處理電路提供穩(wěn)定電源。系統(tǒng)顯示功能部分選用3.5寸，5V電壓供電的WXCAT35LCD觸摸液晶屏，測速系統(tǒng)需要分析時間、加速度和減速度，將TSYM和TSYP分別用來確定電阻觸摸屏的X軸和Y軸坐標(biāo)；VCLK為像素時鐘信號；VLINE為行同步脈沖信號。存儲模塊選用SDRAM是256Mbit的同步DRAM芯片HY57V561620FTP，在系統(tǒng)上電后，使用一段引導(dǎo)程序?qū)⒊绦蛘{(diào)入SDRAM中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲功能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集發(fā)送端軟件設(shè)計(jì)：無線采集發(fā)射端主控芯片為nRF24LE1，因此發(fā)射端的軟件設(shè)計(jì)其實(shí)就是對其內(nèi)部的增強(qiáng)型51核微控制器的編程。發(fā)射端的電子開關(guān)選擇，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣控制，無線發(fā)射都是通過在CCS（Code Composer Studio）環(huán)境下使用C語言編寫并進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)上電后初始化、配置I/O口，完成初始化后進(jìn)入程序主循環(huán)。數(shù)據(jù)采集子程序，通過定時器來控制中斷實(shí)現(xiàn)采樣，一個中斷對應(yīng)一個采樣數(shù)據(jù)，以512次為一個采樣周期，完成一個周期后將數(shù)據(jù)送入到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理子程序，用于將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行Burg算法，得到速度和加減速度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，系統(tǒng)上電后首先調(diào)用初始化程序，將CE置高，nRF24L01子系統(tǒng)開始工作，接受節(jié)點(diǎn)地址和有效數(shù)據(jù)按時序發(fā)送到nRF24L01子系統(tǒng)。系統(tǒng)將CE置低，激活ShockBurst方式，然后RF前端加電，按數(shù)據(jù)格式完成RF數(shù)據(jù)打包處理（加前綴，CRC校驗(yàn)），形成完整的數(shù)據(jù)包，按照配置速度完成高速發(fā)送。

（2）數(shù)據(jù)接收端模塊軟件設(shè)計(jì)：采用ARM為主控，nRF24LE1作為接收模塊使用的。終端上電后Linux系統(tǒng)啟動，用戶可以通過觸摸屏顯示交互界面進(jìn)行相關(guān)操作。主程序運(yùn)行后，首先打開SPI、CE節(jié)點(diǎn)設(shè)備，然后對nRF24L01子系統(tǒng)進(jìn)行初始化，配置接收地址和發(fā)射端地址相同，保持工作頻率、接受數(shù)據(jù)長度與發(fā)射端一致。之后就進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)不停監(jiān)聽空中的信號，當(dāng)收到數(shù)據(jù)包后，會比對地址，地址正確之后再做CRC校驗(yàn)，若是完全正確才接收至寄存器當(dāng)中。每次接收一個數(shù)據(jù)包后，則返回繼續(xù)監(jiān)聽等待接接收數(shù)據(jù)，接收到之后就通過SPI接口送至ARM處理器。

（3）嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：ARM端采用Linux（ubuntu8.04版本）嵌入式操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)的軟件平臺。通過U-Boot移植，內(nèi)核裁減，文件系統(tǒng)的制作及Qtembedded移植搭建完成嵌入式系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時速度曲線的顯示，創(chuàng)建一張畫布QPixmap,將串口傳來的速度數(shù)據(jù)作為縱坐標(biāo)定時在QPixmap對應(yīng)的像素處描繪點(diǎn)，然后依次連接這些點(diǎn)，同時考慮到閱讀及管理，創(chuàng)建一個自定義Drawer類來實(shí)現(xiàn)了游標(biāo)與顯示界面的平移功能，流程圖如圖3所示。

圖3 曲線顯示程序流程圖

嵌入式系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的存儲同樣是通過文件來實(shí)現(xiàn)。程序中新建一數(shù)據(jù)文件（定義文件類型為DAT格式），使用QDatastream類將速度數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式寫入DAT文件，需要顯示歷史曲線時，將DAT文件中數(shù)據(jù)流以二進(jìn)制讀出。在使用流寫入數(shù)據(jù)時，可以通過編程定義首先寫入的是寫入文件中速度數(shù)據(jù)總的個數(shù)，隨后是各個速度值。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是對檢測檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，顯示和處理等功能，改變以往手持式測速電機(jī)測速的落后方式，改善金屬非金屬礦在用品現(xiàn)場檢測的工作環(huán)境，保障人員安全，提高檢測檢驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度，提升檢驗(yàn)人員現(xiàn)場檢測檢驗(yàn)技術(shù)水平。

本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集、處理和無線傳輸結(jié)合起來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、安全性好、受地理?xiàng)l件限制少等特點(diǎn)使得短距離無線通信必然有更廣闊的應(yīng)用前景。