无线遥控系统的葫芦行车遥控的设计

一种采用无线遥控系统的葫芦行车遥控的设计陈富强，李浩宾，曹卫峰，胡智宏，杨存祥，崔光照(河南省信息化电器重点实验室，郑州轻工业学院，河南，郑州450002)摘 要：应用MSP430f1232和nRF24L01集成电路设计了一种工业无线遥控系统。介绍了该系统的硬件组成结构和软件实现流程，给出了部分实现程序。经过实验表明，该遥控系统可通过手持端指示灯动态获取接收端工作状况，可以提高工业场合远距离作业时的安全性，适用于单钩、单速电动葫芦或葫芦式行车。系统结构简单，经过改进也可用于其他设备的控制。关键词： 无线遥控MSP430f1232 nRF24L01双向传输The Design of In dustrial Wireless Remote Control System 011The Crane of Eiectric HoistCUI Guang-zhao，CHEN Fuqiang，LI Haobin，HU Zhi-hong，YANG Cun-xiang，CAO Wei-feng(Key Lab of Information Electric Appliance of Henan Province，Zhengzhou 450002，China)Abstract：A kind of industrial wireless remote controller is designed with MSP430f1232 and NRF24L01Thehardwarc compositive structure and soRware implementary flow of the system are introducedas well as someexecutive programBy experiment,the working status of the receiver Call be showd dynamically by the indicatorlamp in the handhold sender,SO the system catl raise the safety in the distant and industrial environment,it isadequated for the single hook electric hoist or the craneBecause of the simple systems structureit Can be improvedeasily for the control ofother equipmentsKeywords：remote control；MSP430f1232；NRF24L01；bidirectional transmission0引言工业行车常用于高温、污染严重等危险环境下，无线遥控装置是一种比较普遍采用的方法。无线遥控装置主要有红外遥控和无线电遥控两种方式。红外遥控主要用于发射器和接收器之间可视性较好并且距离较近的作业场合，而无线电遥控是目前工业遥控设备中主要采用的形式。目前有较多的产品不能对接收端的工作状况进行动态反馈，这里设计一种超低功耗工业无线遥控系统，能够节约成本和提高行车运行的稳定性。l系统原理无线遥控系统一般由两部分组成，包括手持端发射器和控制端接收器。手持端通过按键操作发射操作人员所发出的指令，经过并行、串行变换、信号程序控制、纠错信号等处理形成数字码，经过载波调制后用无线电波发射出去。控制端接收由发射器发出的电波，读取发射器发出的载波信号并解调译码为代表操纵内容的数字信号，经过驱动放大等处理后发出继电器控制信号。本系统设计电路总体结构框图如图1所示。指示灯可【I一I0端口可】I【一按键指令JTAG 发射端 接收端MSP430f1232AcLK单 INCLK片 STE0机 SLM00SOMl0UCLK电源NRF24L01CSNIR0 数cE 传mSI 模MIS0 块SCENRF24L0lCSN数 IRQ传 CE模 MOSI块ldIS0SCK图1系统电路结构总体框图MSP430f1232ACLKINCLK酋STE0片Si11100机SOMIOUCLK电源模块I0端口驱动模块2系统电路发射部分电路主要是利用微控制器的输入端口获取按键状态，并通过无线模块发送控制指令(方向，启停设备等命令)；接收部分电路则利用无线模块接收控制命令改变电机的通电脉冲逻辑，实现对工业行车运动方向的控制。两部分使用相同的微控制器模块和无线传输模块，另外发射端键盘电路、接收端电源管理模块和继电器驱动模块也是系统设计的重点。21无线传输模块工业场合由于强磁场、强电场信号较多，无线电传播的环境较为复杂，传输模块的设计尤其重要，抗干扰性需重点考虑。该模块电路主要包括无线射频收发芯片nRF24L01及其外围电路设计。传输模块工作原理结构框图如图2所示，包括压控振荡器VCO、GFSK调制解调器、滤波器、放大器、FIFO堆栈区和串行接口等。发射数据时首先将发送的数据送到FIFo堆栈区，同时将模块设定为发射状态，启动打包程序并将数据包送到调制器，以GFSK方式调制成模拟信号，经过混频后对信号进行功率放人发射出去。该传输模块可以通过软件设置40位的校验地址码，只有与发射端地址匹配的接收器才会准确接收传输数据，增强了遥控器在复杂环境下作业的抗干扰性。22微控制器模块微控制器模块电路主要包括MSP430f1232单片机与nRF24L01芯片的接口电路，以及单片机的JTAG仿真电路设计。nRF24LOI与单片机相连较为简单，只需要6根信号线，连接电路如图1所示，其中SCK、MISO、MOSI和CSN 4根为SPI信号线，另外有一根片选线CE和一根中断请求线IRQ。JTAG仿真口有14脚与MSP430单片机相连，在电路设计中要注意的是，如果仿真过程中单片机由仿真器供电，需要将JTAG口的第2脚与单片机VCC端相连；若给单片机另外提供供电电源，则必须将JTAG口的第4脚与供电电源相连，否则由于仿真器提供的电源电平与外部电源电平不一致而容易损坏仿真上具。一强电图3接收端电源变换框图23发射端键盘电路与电源管理模块发射端键盘电路用MSP430单片机的一般IO进行扩展设计，采集键值数据。发射板上八个按键与单片机八个IO分别相连，对应开启和关闭设备以及移动方向的操作指令。正常状态时按键所在行线都被上拉到33V，当有键按下时，与之相连的IO口与地导通而被拉低，此时可以获得按键的输入值。由于MSP430单片机的IO口具有中断功能，冈此在软件设计时可以采用键盘扫描的方式采集键值，也可以利用IO的中断功能实现键盘输入。发射端采用两节AA电池供电，利用干簧管继电器控制电源的通断，电源管理电路较简单。接收端与强电系统相连，而单片机和传输模块需要33V电源供电，因此电路须通过电压变换，整流滤波等系列电路后对系统进行供电。采用的电压变换芯片为L7805CV和7133A，电源变换框图如图3所示。为了减小杂波干扰，每个芯片的电源端都要加上两个01uF的电容进行滤波处理。24继电器驱动模块接收端驱动模块主要是利用集成芯片ULN2803A提高单片机IO口的驱动电流，以达到控制继电器动作所必须的电流值。该芯片是8重达林顿反相驱动器，可以提供8路输出信号，其输入端接单片机IO的输出，输出接继电器输入端，能够将单片机IO口输出信号的载流量提高到500mA，通过控制继电器的吸合来改变工业行车电机的通电脉冲逻辑。3系统软件设计该系统软件设计主要包括手持端无线命令发射部分设计和控制端无线命令接收部分设计。软件采用C语言编程，发射端和接收端程序分开，便于程序的烧写和移植。31数据帧格式射频芯片nRF24L01内嵌了非标准射频协议ANT协议。该协议是一种低成本、低功耗的无线网络协议，是无线个人局域网(PAN)通讯技术中的一种。其协议栈结构如图4所示。物理层有专用射频芯片nRF24L01实现，数据链路层则提供可靠的无线数据传输。发送数据时，将应用层发来的数据加上包头和校验码，重新打包后发送出去；接收数据时，将接收到的数据解包并进行CRC校验，若数据传输正确则将其移交给应用层，传输过程中出现错误则要求发送方重发。相邻层之间相互独立，并通过调用发送胺收函数的方式相联系。无线通信流程见图5所示。一丽塑一丽塑面变应用层高层安全管理网络传输底层安全管理数据链路层物理层，J用户定义图4 ANT协议栈结构ANT实现本文设计中的无线模块通信协议采用如下表1所示帧格式。为了有效的区分传输过程中的杂波与数据以抑制噪声的干扰，需要给数据帧加上起始帧头，即在数据包前加开始字节0xFF后跟OX55，0x55，这样在通信过程中不容易发生噪声。同时发送协议应该以一个任意内容的字节开始，因为第一个字节的数据在发送时容易丢失。所以起始位帧头取为0xAA、0xFF、0x55、0x55；地址用一个字节表示，用来说明起始帧头的结束和数据包的开始；标志位表示数据的类型，包括控制命令、正常传输数据、出错要求重发、正确接收确认等，便于接收方分类处理；在10个字节数据之后是16位的CRC校验，检验数据正确性。图5无线通信流程框图表l无线模块数据包结构32系统主程序设计手持端发射部分软件为MSP430单片机IO口对键值数据进行采集，并通过无线发射模块发送控制命令的软件设计。该部分软件包括端口初始化程序、键值采集程序、中断服务程序、传输模块发射程序等。控制端接收部分软件为无线收发模块接收控制命令，并通过单片机对继电器进行控制的软件设计。该部分软件包括端口初始化程序、传输模块接收程序、接收中断程序、键值判断程序、输出控制程序等。程序流程图如图6所示。系统从main()函数入口，首先关闭中断位，屏蔽所有中断，然后初始化CPU，以次调用各子程序顺序执行。由于MSP430单片机的I01具有中断功能，在本软件设计中利用中断服务程序实现键盘的输入。为了使工业行车的操作人员在视线不佳时对接收端的接收状态能够实时了解，增强行车运行的稳定性，在软件中设置了自动应答功能，通过手持端小灯的工作状况进行动态反馈。图6程序流程图接收程序在系统软件设计中，按照无线传输模块的读写时序对CPU进行初始化，设置各引脚的输入输出状态是设计的难点之一，下面给出接收端初始化程序。void init io(void)P1DIR I=0xFF；设置P1口为输出口P10UT&=0x00；P1口输出初始化为低电平P2DIR=0x01：设置P2OCSN脚为输出口，P21IRQ脚为输入口P20UTI=0x01；P20口csN脚初始化为高电平，P21 121IRQ脚初始化为低电平P2IEI=0x02；允许P21 IRQ脚中断P21ESI=0x02；下降沿触发中断P3DIRI=0x0B；M1SO设置为输入口，CE、MOSI、SCK设置为输出口P30UTI=0x01：P30CE脚初始化为高电平4实验结果分析经过实验表明，该系统采用地址编码方式，工作性能稳定，能够在强磁场、强电场及无线电信号复杂的环境中持续工作，具有很强的抗干扰能力。双向传输模块的使用，可以使操作人员通过手持端状态反馈指示灯实时监测接收状况，且传输距离可以达到白米以上，操作人员可自由走动选择最佳角度，避开能见度差、污染严重、危险的操作位置，改善了操作人员的工作环境。可以使一台发射器同时控制两台接收器同步工作，轻松实现对铁轨等较长货物的搬运。系统结构简单，经过改进也可用于其他设备的控制，具有良好的扩展性。参考文献【l】l胡大可MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用M】北京：北京航空航天人学出版社2001【2】吕垫，张利芳基于无线数传模块的工业遥控器的设计【J】工业控制计算机2004，8【3】田海，常小晋