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工程機械儀表無(wú)線(xiàn)通信對射頻技術(shù)的應用論文
摘要：在工程機械儀表無(wú)線(xiàn)通信中，針對環(huán)境因素導致大型工程機械信號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的有效應用，實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據通信的功能。本文主要對射頻芯片nRF2401的工作原理及特點(diǎn)進(jìn)行詳細說(shuō)明，并給出了無(wú)線(xiàn)通信系統硬件結構、接口電路及相應程序框圖。
關(guān)鍵詞：射頻技術(shù)；工程機械儀表；無(wú)線(xiàn)通信
近年來(lái)，很多工程機械正朝著(zhù)大型化的模式發(fā)展，這必然會(huì )造成駕駛操控室回轉操作難度加大，長(cháng)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)現大型工程機械駕駛操控室無(wú)線(xiàn)通信信號傳輸，大大解決了線(xiàn)纜傳輸中存在的不足，所傳輸的信號穩定性高且質(zhì)量也有所保障。
1工程機械儀表無(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，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)對比，WiMax技術(shù)最近幾年才出現，只用極少企業(yè)會(huì )使用WiMax技術(shù)。LMDS技術(shù)是一項綜合型的業(yè)務(wù)系統，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、數據功能等，但其易受天氣因素的影響，限制了無(wú)線(xiàn)信號傳輸距離。MMDS技術(shù)在一些大雨、大風(fēng)等惡劣天氣下，無(wú)線(xiàn)信號質(zhì)量受干擾程度較大。另外，此技術(shù)對信號傳輸效率有著(zhù)很高要求，發(fā)展到今天，還沒(méi)有形成統一的、完善的標準。在實(shí)際運用過(guò)程中，集群通信技術(shù)具有利用率高、容量大、抗干擾能力強等優(yōu)勢，能夠很好地保障傳輸無(wú)線(xiàn)信號的效率。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通信系統硬件及軟件設計
2.1系統結構及工作原理
射頻芯片nRF2401系統主要由兩部分組成：一是發(fā)射機，發(fā)射機的主要作用是對現場(chǎng)各類(lèi)儀表信號進(jìn)行數據采集、存儲以及數據發(fā)送工作；二是接收機，主要作用是對LCD顯示儀表參數進(jìn)行控制，并向發(fā)射機傳送相關(guān)指令。該系統主要采取的是半雙工模式通信，即在收發(fā)信號中需要按鍵以實(shí)現模塊的轉換，而且LCD上能夠對收發(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)射機與接收機的控制單元部位均配置有標準的RS-232接口，因此可以對所獲取的數據進(jìn)行準確的分析與處理。
2.2通信系統軟件無(wú)線(xiàn)通信模塊
在系統軟件的設計過(guò)程中，主要是借助IAREmbeddedWorkbench平臺上開(kāi)發(fā)的C代碼程序實(shí)現的。發(fā)射機程序在設置時(shí)需包含數據的采集、發(fā)送以及顯示等模塊，而接收機程序在設置時(shí)應包含無(wú)線(xiàn)數據的接收、地址以及PC機通信等模塊。與此同時(shí)，在發(fā)射機與接收機上都應預留一個(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)現對nRF2401系統的初始化和無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)功能。數據包協(xié)議格式，PRE-AMBLE主要為8bit前導碼，借助硬件系統進(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)現數據的傳送；CRC是由內置CRC糾檢錯硬件電路自動(dòng)加上的校驗和。通信程序正式啟動(dòng)后，系統首先會(huì )對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，系統應根據需要設置收發(fā)健以及空閑健，在工作中若需接收信號，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。當系統需要發(fā)送程序時(shí)，則應直接寫(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)送數據由P2.7（DATA）引腳依次寫(xiě)入nRF2401的緩沖區，nRF2401自動(dòng)加上字頭、CRC校驗碼，將數據包以一定的通信速率發(fā)射出去。接收程序可實(shí)現對數據的連續接收工作，如需暫�；蛘咧兄箶祿慕邮�，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通信系統硬件nRF2401收發(fā)器工作原理
在該系統中，發(fā)射機與接收機的控制單位所使用的是由同一公司生產(chǎn)且型號相同的MCU器件。該芯片具有如下優(yōu)點(diǎn)：一是具備超大的存儲空間；二是能耗低；三是可實(shí)現高速運轉。由于該系統中無(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，因此可在大范圍內實(shí)現信號之間的傳遞。nRF2401芯片使用的是5mm×5mmQFN封裝。芯片雖小，但內部功能卻較為齊全，設置有地址解碼器、時(shí)鐘、解調處理器等功能模塊。以-5dBm功率發(fā)射時(shí)，工作電流可達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)數據主要由nRF2401自動(dòng)處理數據包字頭、地址和CRC校驗碼加以實(shí)現，突發(fā)模式受外界因素影響的程度較低且能起到節約資源的目的；二是DirectMode（直接模式），若采取直接模式，則數據包字頭、地址等內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內置狀態(tài)字寄存器，主要用來(lái)設置芯片的工作參數。在ShockBurstTM方式下配置字為15B，DirectMode方式下配置字為2B。由于nRF2401具有ShockBurstTM技術(shù)，當信號被傳輸過(guò)來(lái)時(shí)，可由兩個(gè)相互獨立的專(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據。若在通道2上連接一個(gè)天線(xiàn)接口，可同時(shí)實(shí)現兩組數據的接收工作。但是，通道2不是在任何頻率狀態(tài)下都能實(shí)現數據的接收。只有當它比通道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。nRF2401收發(fā)器在工作時(shí)，首先進(jìn)行的是配置模式，系統會(huì )啟動(dòng)初始化程序并輸入配置字，配置字的最后一位應明確指定2401為收發(fā)狀態(tài)；其次，借助控制器將信號傳輸出去，使得nRF2401迅速進(jìn)入收發(fā)模式工作。在信號收發(fā)交互過(guò)程中，一方可進(jìn)入空閑模式中，等到所有的數據被傳輸完成后，系統會(huì )自動(dòng)進(jìn)入關(guān)機模式中。
3試驗結果及結論
分別將該系統在室內走道部位以及室外開(kāi)闊地段進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)數據的傳輸試驗，并對數據的傳輸距離以及誤碼率進(jìn)行了準確測定與評估。在室內，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芯片中設置了一定的CRC糾錯電路和協(xié)議，可為數據傳輸的穩定性提供可靠的保障。在此次實(shí)驗中，接收數據均顯示正常，無(wú)異常情況發(fā)生。
4結語(yǔ)
射頻無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)大力發(fā)展，可實(shí)現大型工程機械駕駛操控室無(wú)線(xiàn)通信信號傳輸。而射頻技術(shù)在工程機械儀表無(wú)線(xiàn)通信中的應用，可有效解決當前所面臨的長(cháng)距離信號傳輸的不穩定性，緩解傳統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)。
參考文獻
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