在現(xiàn)有塔吊控制室控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，本研究提出一種低功耗、自動(dòng)CRC校驗(yàn)碼、軟件編碼和硬件譯碼、接收器采用無(wú)記憶控制且具有高抗干擾能力和高可靠性的塔吊無(wú)線(xiàn)遙控系統(tǒng)，既保證了安全操作又大幅度提高了生產(chǎn)效率。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能概述
新型塔吊無(wú)線(xiàn)遙控系統(tǒng)包括發(fā)射器和接收器兩個(gè)部分，遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。發(fā)射器由鍵盤(pán)輸入電路、單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路和天線(xiàn)等構(gòu)成;接收器由接收天線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)接收電路、單片機(jī)、三2八譯碼器、反相器、與非門(mén)、光電耦合器、繼電器等構(gòu)成。其特點(diǎn)是系統(tǒng)的核心采用超低功耗的MSP430系列單片機(jī)，進(jìn)而采用三2八譯碼器、反向器、與非門(mén)、光電耦合器以提高抗干擾能力和系統(tǒng)的可靠性。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2. 1 發(fā)射電路
信號(hào)發(fā)射電路包括鍵盤(pán)、CPU 和數(shù)據(jù)發(fā)射部分，硬件原理，如圖2 所示。塔吊的控制量(上、下，左、右、前、后、低速、中速、高速、急停等)通過(guò)鍵盤(pán)輸入電路將相應(yīng)控制信號(hào)送入單片機(jī)MSP430F135 的I/O口，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理的信號(hào)通過(guò)其SP I口輸出到無(wú)線(xiàn)芯片nRF905,單片機(jī)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，同時(shí)對(duì)射頻芯片進(jìn)行設(shè)置以確定其工作模式、工作頻率、傳輸速率等參數(shù)，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)芯片的處理，送入無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分發(fā)送至接收方。
MSP430單片機(jī)是TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的混合信號(hào)控制器。這些微控制器可用電池工作，而且可以有很長(zhǎng)的使用時(shí)間，器件在少于6μs的時(shí)間內(nèi)可以從低功耗模式迅速喚醒。MSP430單片機(jī)內(nèi)還集成了A /D轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器、定時(shí)器、比較器等模塊。
圖2 發(fā)射器硬件原理圖
發(fā)射部分采用nRF905 芯片。nRF905 是挪威Nordic公司推出的單片射頻收/發(fā)器。工作電壓為1. 9~3. 6 V, 32引腳QFN封裝( 5 mm ×5 mm) ,工作于433 /868 /915 MHz 3個(gè)ISM頻道。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器， ShockBurstTM 工作模式，自動(dòng)處理字頭CRC (循環(huán)冗余碼校驗(yàn)) ,使用SP I接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低。以10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA,工作于接收模式時(shí)的電流為12. 5 mA,內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905提供了強(qiáng)大的跳頻機(jī)制以及大量的頻道支持，可以應(yīng)用于許多特殊的場(chǎng)合。
2. 2 接收電路
接收電路與發(fā)送電路基本相同，只是無(wú)線(xiàn)芯片工作在接收模式。塔吊系統(tǒng)的可靠性要求高，為防止干擾引起接收電路誤動(dòng)作，接收驅(qū)動(dòng)輸出采用軟件編碼、硬件譯碼技術(shù)，即每個(gè)繼電器的動(dòng)作對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字編碼，該編碼經(jīng)譯碼器譯碼輸出，輸出信號(hào)經(jīng)光耦隔離和反相器驅(qū)動(dòng)輸出控制繼電器的動(dòng)作。這樣其他信號(hào)的輸出將被禁止，也消除了系統(tǒng)由于上電(或斷電)短暫時(shí)刻I/O口輸出不確定而引起的誤動(dòng)作。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括發(fā)射器和接收器軟件。發(fā)射器和接收器軟件的功能劃分對(duì)遙控系統(tǒng)性能的影響很大，為提高系統(tǒng)可靠性，加快緊急故障出現(xiàn)時(shí)的恢復(fù)速度，所有控制的邏輯處理全部在發(fā)射器中實(shí)現(xiàn)，發(fā)射器的發(fā)送采用定時(shí)發(fā)送和中斷發(fā)送兩種方式：當(dāng)有按鈕動(dòng)作時(shí)，用中斷方式發(fā)送，在隨后的時(shí)間內(nèi)按定時(shí)方式發(fā)送。接收器僅實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收、譯碼和驅(qū)動(dòng)輸出，當(dāng)連續(xù)3次收不到信息時(shí)，接收器自動(dòng)關(guān)閉所有輸出，恢復(fù)初始狀態(tài)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：
(1) 對(duì)發(fā)送器的按鈕控制的捕捉可靠。當(dāng)中斷信號(hào)萬(wàn)一丟失時(shí)，接收器失去控制而保持原來(lái)狀態(tài)，但隨后的定時(shí)發(fā)送的控制信息會(huì)作出相應(yīng)的控制。
(2) 當(dāng)射頻信號(hào)受到干擾或發(fā)射器出現(xiàn)故障而使接收器收不到控制信息時(shí)，接收器自動(dòng)關(guān)閉所有輸出而恢復(fù)初始狀態(tài)，防止事故的擴(kuò)大，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)"發(fā)射器關(guān)閉或電能不足時(shí)，接收器自動(dòng)關(guān)機(jī)".
3. 1 發(fā)射器軟件
發(fā)射器剛上電時(shí)，完成的初始化主要包括： I/O端口初始化、無(wú)線(xiàn)芯片配置、打開(kāi)定時(shí)器和I/O 中斷使能。其余的功能主要在定時(shí)中斷和I/O中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)。中斷服務(wù)子程序的主要功能為：判斷各按鈕的狀態(tài)、按鈕狀態(tài)編碼、編碼狀態(tài)發(fā)送。MSP430微控制器和nRF905通過(guò)SP I口通訊的處理流程如下：
(1) 微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)通過(guò)SP I接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905;
(2) 微控制器置高TRX _CE 和TX _ EN, 激發(fā)nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式;
(3) nRF905 按ShockBurstTM 發(fā)送： ①射頻寄存器自動(dòng)開(kāi)啟; ②數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼) ;③發(fā)送數(shù)據(jù)包; ④當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成時(shí)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高。
(4) AUTO_RETRAN被置高， nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低;
(5) 當(dāng)TRX_CE被置低， nRF905發(fā)送過(guò)程完成，自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式。
發(fā)射器流程圖，如圖3所示。
圖3 發(fā)射器主程序流程圖
3. 2 接收端軟件
接收器上電初始化主要包括： I/O端口初始化、無(wú)線(xiàn)芯片配置、打開(kāi)定時(shí)器和I/O中斷使能、繼電器輸出使能。其余的功能主要在I/O 中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)。nRF905進(jìn)入接收模式后，不斷監(jiān)聽(tīng)接收信號(hào)。當(dāng)收到載波信號(hào)時(shí)，發(fā)出CD中斷信號(hào);當(dāng)接收地址正確時(shí)，發(fā)出AM中斷信號(hào);當(dāng)接收數(shù)據(jù)正確時(shí)， nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳置高，發(fā)出DR中斷信號(hào)。微控制器中斷服務(wù)子程序通過(guò)SP I口讀取所實(shí)現(xiàn)的主要功能為：判斷各按鈕的狀態(tài)、按鈕狀態(tài)編碼、編碼狀態(tài)發(fā)送。MSP430微控制器通過(guò)SP I口讀取nRF905內(nèi)的數(shù)據(jù)，接收端主程序流程圖，如圖4所示。
圖4 接收器主程序流程圖
4 結(jié)束語(yǔ)
系統(tǒng)采用了軟件編碼和硬件譯碼的方式、系統(tǒng)發(fā)射器采用定時(shí)掃描、接收器采用無(wú)記憶輸出控制方式以及電氣互鎖等技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于塔吊等一般工業(yè)遙控系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的功能在實(shí)踐中得到了應(yīng)用與驗(yàn)證。
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