基于nRF24L01的色選機無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

馬常松 王雪梅 許麗萍

摘 要：色選機的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可實現(xiàn)快速布局，也可將多臺色選機組網(wǎng)進行統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)采用高速低功耗的nRF24L01作為無線收發(fā)器，采用LPC1768作為微處理器，實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的高速傳輸。該文詳細論述了無線單元的組成結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計，根據(jù)色選機功能系統(tǒng)需求設(shè)計無線傳輸協(xié)議架構(gòu)，并進行了相應(yīng)的軟件設(shè)計。通過實驗驗證，該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能良好，實用性較強，降低了因線路問題引發(fā)色選機故障的概率，進一步提高了色選機的智能化。

關(guān)鍵詞：無線數(shù)據(jù)傳輸 nRF24L01 無線單元 傳輸協(xié)議

中圖分類號：TN919.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（b）-0059-04

Abstract：Wireless data transmission system of color sorter can help assemble quickly and connect sorters to be a net and realize management together.The system adopts low power wireless digital transmission chip—nRF24L01，and LPC1768 as microprocessor to do high speed data transmission between systems.This paper introduces structure and hardware design of wireless unit.According to sorter functions demands，designs protocol structure and software of wireless data transmission.Through experiment testing，the wireless data transmission system running stable and reliable.It has high practicability and reduces line fault probability of sorter.It helps improve intelligent of color sorter.

Key Words：Wireless data transmission；nRF24L01；Wireless unit；Transmission protocol

色選機由多個功能系統(tǒng)構(gòu)成，通過人機界面的控制系統(tǒng)輸入各種指令實現(xiàn)各系統(tǒng)間協(xié)調(diào)工作。各系統(tǒng)分布在色選機不同位置，控制系統(tǒng)與其它系統(tǒng)間通過數(shù)據(jù)線連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)線多次往返長度過長，同時不可避免要與電源線并行，數(shù)據(jù)信號會受到影響。當出現(xiàn)線路問題時不易查找問題源，工作環(huán)境較惡劣會出現(xiàn)線路老化現(xiàn)象。在一些規(guī)模較大的應(yīng)用場所，會同時使用多臺色選機組成一整條生產(chǎn)線工作，每臺色選機配備一套控制系統(tǒng)，這就需要配備多名操作人員實時在色選機周圍進行維護，對于用戶來說成本較高且不便于操作人員的統(tǒng)一管理。

采用無線方式進行短距離通信是當前的熱點，無線數(shù)據(jù)通信不用布線，可實現(xiàn)快速布局。基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)既可實現(xiàn)單臺色選機不同系統(tǒng)間協(xié)調(diào)工作，也可將多臺色選機組網(wǎng)進行統(tǒng)一管理，具有有線數(shù)據(jù)傳輸無法比擬的便捷性。

1 色選機無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)整體設(shè)計

色選機的主要功能系統(tǒng)按分布位置主要分為：控制系統(tǒng)、前檢測處理系統(tǒng)、后檢測處理系統(tǒng)、剔除系統(tǒng)、其它系統(tǒng)（包括喂料、照明和輔助控制系統(tǒng)）。處在不同位置或空間的功能系統(tǒng)之間是需要進行數(shù)據(jù)通信，為此設(shè)計了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧獰o線單元，主要由MCU和無線傳輸芯片組成。每個功能系統(tǒng)配備一個無線單元，通過無線單元實現(xiàn)各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸（圖1）。

2 無線單元硬件設(shè)計

無線單元中無線傳輸芯片采用NORDIC公司的nRF24L01，其工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。可通過SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達10 Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸率最快可達2 Mb/s，并且有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能。無線傳輸芯片采用發(fā)送和接收兩種工作模式，根據(jù)MCU發(fā)送的配置字在發(fā)送模式和接收模式間進行轉(zhuǎn)換。nRF24L01啟用6個通訊信道，每個信道可分別設(shè)置地址。兩個無線傳輸芯片通過對相同信道設(shè)置為相同地址，便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。nRF24L01芯片及其外圍電路如圖2所示。

MCU采用NXP公司的LPC1768控制器，其操作頻率可達100 MHz，LPC1768微控制器的外設(shè)組件包含高達512 kB的flash存儲器、64 kB的數(shù)據(jù)存儲器、4個UART、2個SPI接口。由于LPC1768在無線單元中起到中轉(zhuǎn)站或翻譯機的作用，通過1路串口與色選機功能系統(tǒng)直接相連，接收指令和數(shù)據(jù)。通過SPI與無線傳輸芯片連接，向無線傳輸芯片發(fā)送設(shè)置指令和數(shù)據(jù)。撥碼盤是為了區(qū)分與不同系統(tǒng)相連的無線單元，MCU對撥碼盤數(shù)值進行讀取，根據(jù)不同數(shù)值設(shè)定無線傳輸芯片啟用不同信道并設(shè)置信道地址。

nRF24L01與LPC1768的連接電路原理圖如圖3所示。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議架構(gòu)

nRF24L01只有6路數(shù)據(jù)通道，單臺色選機有5個功能系統(tǒng)，nRF24L01的6路數(shù)據(jù)通道可滿足數(shù)據(jù)傳輸需要。但有時一條生產(chǎn)線配備至少2臺以上的色選機，功能系統(tǒng)總數(shù)量便會超過nRF24L01的數(shù)據(jù)通道數(shù)，為此設(shè)計了以下的無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議架構(gòu)。

在無線單元上設(shè)置兩套四位撥碼盤，撥碼盤1可實現(xiàn)對16個設(shè)備的識別，如表1所示，撥碼0000指定為控制系統(tǒng)，其它撥碼對應(yīng)色選機設(shè)備。撥碼盤2可實現(xiàn)對5個功能系統(tǒng)的識別，表2為色選機設(shè)備對應(yīng)的各系統(tǒng)編碼。

無線傳輸芯片有6路不同通訊信道，每一路通訊信道使用不同的地址（如表3所示，地址可自行設(shè)置），只有兩個無線傳輸芯片的相同信道設(shè)置為相同地址才能正確的通過該信道傳輸數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的nRF24L01啟用全部6路通訊信道，可接收其它功能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，其它功能系統(tǒng)根據(jù)通訊對象啟用對應(yīng)的信道。

不同色選機的相同功能系統(tǒng)信道地址是相同的，為了區(qū)分不同色選機的相同功能系統(tǒng)，將無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包按表4格式進行傳輸。通過識別數(shù)據(jù)包中目的設(shè)備識別碼，來判斷數(shù)據(jù)是否應(yīng)該接收。

4 無線數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

控制系統(tǒng)的無線單元上電后進行初始化，主要包括：LPC1768的初始化、讀取撥碼盤編碼設(shè)置無線傳輸芯片信道和地址。初始化后在無操作時控制系統(tǒng)的無線單元一直處于接收模式，控制系統(tǒng)將相關(guān)操作指令通過無線單元發(fā)到其它功能系統(tǒng)。當無線單元的LPC1768接到指令后，將無線傳輸芯片配置為發(fā)送模式。根據(jù)目標功能系統(tǒng)選擇信道，并將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按表4的數(shù)據(jù)包格式打包，通過特定的信道發(fā)送出去。發(fā)送完成后自動切換回接收模式，等待接收應(yīng)答指令。在規(guī)定時間內(nèi)未收到返回指令則重發(fā)，超過規(guī)定的重發(fā)次數(shù)后即報錯（圖4）。

4.2 其他功能系統(tǒng)程序設(shè)計

其他功能系統(tǒng)無線單元上電后進行初始化，完成LPC1768初始化和信道地址的設(shè)置。在無操作時一直處于接收模式，不同設(shè)備間的相同功能系統(tǒng)開啟相同的信道號和相同的地址。當該信道接收到數(shù)據(jù)時要根據(jù)目的設(shè)備識別碼來判斷是否是屬于自己，最終只有目的設(shè)備識別碼匹配正確的功能系統(tǒng)才能接收完整數(shù)據(jù)。接受完數(shù)據(jù)后LPC1768將數(shù)據(jù)解析并發(fā)給功能系統(tǒng)進行處理，同時配置為發(fā)送模式，向控制系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答命令（圖5）。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

色選機系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸主要有兩路：控制系統(tǒng)與各功能系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸；前、后檢測處理系統(tǒng)與剔除系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸。從空間布局上，控制系統(tǒng)與前檢測處理系統(tǒng)在同一空間位置，后檢測處理系統(tǒng)、剔除系統(tǒng)和其它系統(tǒng)分別各在一空間位置，其中控制系統(tǒng)與剔除系統(tǒng)位置相隔最遠。前（后）檢測處理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸量最大，大約在2 000字節(jié)。

無線通信需要解決的最大問題是保證傳輸數(shù)據(jù)的準確性，即要求誤碼率低。誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標。誤碼率=錯誤碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù)（100%）。因此分別測試控制系統(tǒng)與各功能系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率和丟包率。

實驗數(shù)據(jù)顯示色選機各功能系統(tǒng)采用無線通信的方式并未影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，很好的保證了系統(tǒng)間穩(wěn)定可靠的通訊（表5）。

6 結(jié)語

該文設(shè)計了色選機的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)可幫助快速布局，同時實現(xiàn)多臺色選機聯(lián)網(wǎng)的操作管理。該文詳細論述了無線傳輸單元的結(jié)構(gòu)及無線傳輸協(xié)議架構(gòu)，依次進行了軟硬件的設(shè)計。通過實驗驗證，該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能良好，實用性較強，降低了因線路問題引發(fā)色選機故障的概率，進一步提高了色選機的智能化。

參考文獻

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