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河北華利機械配件有限公司

基于nRF2401無線通信模塊設計的遙控出鋁手柄

2013/7/11 15:51:27

 

    譚曲江,馮  傑,馮曉君,王海濱

    1.中國鋁業貴州分公司電解鋁廠,貴州貴陽550058;2.北方工業大學;3.中國聯通有限公司)摘要:介紹了單片射頻收發芯片nRF2401的功能和特點,對目前常用的幾種短距離無線通信技術進行了比較分析。詳細闡述了nRF2401在遙控手柄中的作用及其硬件和軟件設計思路,並給出了部分單片機C程序代碼。

關鍵詞:無線通信;nRF2401;應用

引言

在以往的對電解鋁車間中多功能天車控制箱進行控制的時候,我們采用的是通過以有線的吊線盒的方式實現的。有線方式傳輸速度快、數據流量大、可靠性強。但是在現場作業中,天車及其上的設備經常要進行左右、上下、旋轉等移動,這樣吊線盒與其他設備之間的連接線會很容易被絞斷,這給生産帶來了極大的不便。因此本文討論了一種以無線的控制方式代替有線的控制方式,從而改善這一現狀。

    目前,短距離無線通信實用技術主要有:紅外技術、藍牙技術、802. llb技術和微功率短距離無線通信技術。

    紅外通信技術由于在數據傳輸過程中兩個通信設備之間不能有障礙物,且不能邊移動邊傳輸,因此不適合在複雜的工業現場中使用。籃牙技術的有效傳輸距離小于10 m,更適合鼠標、鍵盤等設備。802. llb技術標准是無線局域網的國際標准,主要用來組建大型的無線網絡,設備比較昂貴。微功率短距離無線通信一般使用數字信號單片射頻收發芯片,加上微控制器和少量外圍元器件即可構成專用或通用無線通信模塊。其功率小、開發簡單快速而被廣泛應用。本文介紹的nRF2401單片射頻收發芯片即使用了微功率無線通信技術。表1所示是這幾種通信技術之間的比較。

1  nRF2401功台旨和特性簡介

    nRF2401是挪威Nodic公司生産的單片2.4

系統設計

    無線通信系統是整個鋁電解出鋁控制系統中的一個子系統,是針對鋁電解系統中方便工人適時操作和記錄並顯示數據而設計的,系統的結構框圖如圖2所示。無線通信系統由nRF2401模塊和nRF2401遙控出鋁手柄兩部分組成。兩者在硬件設計方面基本相同,在軟件設計方面由于通信主體和功能的不同而有所差別。

    無線通信系統硬件部分采用通用的低功耗單片機STC89LE58RD+作爲主控芯片,nRF2401爲收發模塊。nRF2401芯片與單片機的硬件連接電路如圖3所示。可通過調整PWR_UPCECS三個引腳的值使nRF2401處于四種不同的工作模式,其四種工作模式的配置如表2

    爲了得到合適的收發距離,電感和電容的參數應適當調整,同時也可以在制作PCB的時候適當增加天線的長度,這裏我們使用單鞭天線。爲了提高系統的穩定性,應使用高Q和高精度的貼片繞線高頻電感,高穩定晶體、高穩定貼片電容。    nRF2401的收發模式有ShockBurstTM收發模式和直接收發模式兩種,具體選擇哪一種收發模式可通過狀態字在程序中配置,配置後頻道1有效數據的最大長度爲256-ADDR_W-CRC,頻率爲2 400+ RF_CH×1 MHZ

    ShockBurst rM收發模式下,nRF2401使用片內的FIFO堆棧區,數據低速從微控制器送入,以高速(1 Mb/s)發射數據,這樣可以盡量節能,而且使用低速的單片機也能實現很高的發射數據速率。nRF2401內置CRC(循環冗余校驗)糾檢錯硬件電路和協議,可100% RF檢驗,發射數據時自動加上處理字頭和CRC碼,接收數據時自動把字頭和CRC碼移去。每個芯片可通過軟件設置最多40 bit地址,而且只有收到與本機地址一致時才會接收數據。

遙控手柄功能設計

    經過以上分析,遙控出鋁手柄的具體設計方案是將無線遙控手柄和顯示屏功能結合起來使用。

    無線遙控手柄有兩排顯示屏,第1排顯示槽號和單槽指示量,第2排顯示單槽實時出鋁量。工作時遙控手柄把要進行出鋁工作的電解槽的槽號發給PLCPLC返回這個電解槽的預出鋁量給遙控手柄,遙控手柄將槽號和出鋁量通過LED顯示出來。同時遙控手柄可通過上下查詢按鈕,查詢槽號和單槽指示量。准備工作做好後,按下遙控手柄的啓動按鈕,PLC開始控制解封出鋁工作,並將實際的出鋁量實時的發給遙控手柄,顯示在第2排顯示屏上。

    遙控手柄設計了模式轉換開關,可用于出鋁GHz無線射頻收發一體芯片,工作頻率爲2.4~2.5  GHz,能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點間通信,最高傳輸速率超過1 Mb/s,工作電壓爲1.9~3.6 V,有125個頻道,可滿足多頻及跳頻需要,主要工作參數大都可通過芯片狀態字由用戶根據需要自行配置。采用SOC方法設計,只需少量外圍元件便可組成射頻收發電路。nRF2401没有复杂的通信协议,它完全对用户透明,同种産品之间可以自由通信,用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解。

    芯片內置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块。其DuoCeiver rM披術使其可以使用同一天線,同時接收兩個不同頻道的數據。同時芯片能耗非常低,以-5 dBm的功率發射時,工作電流只有10.5 mA,接受時工作電流只有18 mA,多種低功率工作模式,節能設計更方便。因此nRF2401是業界體積最小,功耗最少,外圍元件最少的低成本射頻系統級芯片之一。

    nRF2401采用5 mm x5 mm24引腳QFN封装,引腳分布如图1(俯視圖)所示。狀態和調試狀態的轉換。同時遙控手柄和PLC系統的握手也可通過按鈕或開關鍵來控制。

軟件設計

    按照系统硬件的设计,軟件設計的思路为:系统上电初始化后,对nRF2401進行配置(初始化),然後系統進入接受或發送的循環。程序流程圖如圖4所示。nRF2401144位狀態字,其中前24位爲測試保留,系統默認爲8E081CH,可以不用寫入。因此只需對後面120個字節進行配置即可。狀態字及其功能如表3所示。

    由于單片機與nRF2401采取的是I/O直接連接,因此在初始化nRF2401時要用軟件模擬SPI接口的方式寫入狀態字。在程序初始可定義:sbitPWR_UP= P3^4; sbit CE= P2“0:sbit CS= P2“1;sbitDRl=P2^2; sbit DATA= P2“3:sbit CLKl=P2^4.

結束語

    介紹的無線通信系統在鋁電解出鋁系統中得到了應用。利用單片射頻收發芯片nRF2401作爲通信芯片,實現了遙控器的功能,從而使改良後的系統有了遠程控制功能,方便了設備的維護等工作,減輕了工人的工作量,提高了生産效益。單片機和nRF2401芯片構成的無線數據傳輸系統,成本低、體積小、應用靈活、功耗低,縣有良好的通用性和可靠性,該系統可推廣應用在其他監測和工業控制系統中。

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