工程機械儀表無線通信對射頻技術的應用論文
摘要：在工程機械儀表無線通信中，針對環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題，需要借助射頻模塊nRF2401的有效應用，實現無線數據通信的功能。本文主要對射頻芯片nRF2401的工作原理及特點進行詳細說明，并給出了無線通信系統硬件結構、接口電路及相應程序框圖。
關鍵詞：射頻技術；工程機械儀表；無線通信
近年來，很多工程機械正朝著大型化的模式發展，這必然會造成駕駛操控室回轉操作難度加大，長距離工程操作也變得日益普及。射頻無線通信技術大力發展，可實現大型工程機械駕駛操控室無線通信信號傳輸，大大解決了線纜傳輸中存在的不足，所傳輸的信號穩定性高且質量也有所保障。
1工程機械儀表無線通信中的射頻技術技術
WLAN技術是一種很常見的WI-FI技術，具有很多優勢，但也有不足，尤其是其射頻技術不完善，致使使用中存在很多安全隱患。與無線通信技術對比，WiMax技術最近幾年才出現，只用極少企業會使用WiMax技術。LMDS技術是一項綜合型的業務系統，可以滿足人們形式多樣的業務需求，同時還具有視頻功能、數據功能等，但其易受天氣因素的影響，限制了無線信號傳輸距離。MMDS技術在一些大雨、大風等惡劣天氣下，無線信號質量受干擾程度較大。另外，此技術對信號傳輸效率有著很高要求，發展到今天，還沒有形成統一的、完善的標準。在實際運用過程中，集群通信技術具有利用率高、容量大、抗干擾能力強等優勢，能夠很好地保障傳輸無線信號的效率。不過，在無線通信技術的發展下，它在具體運用過程中還需要不斷完善，進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：一是發射機，發射機的主要作用是對現場各類儀表信號進行數據采集、存儲以及數據發送工作；二是接收機，主要作用是對LCD顯示儀表參數進行控制，并向發射機傳送相關指令。該系統主要采取的是半雙工模式通信，即在收發信號中需要按鍵以實現模塊的轉換，而且LCD上能夠對收發器的狀態進行實時反映，以便于操作人員發現異常時及時采取有效的措施加以改進。此外，由于發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行準確的分析與處理。
2.2通信系統軟件無線通信模塊
在系統軟件的設計過程中，主要是借助IAREmbeddedWorkbench平臺上開發的C代碼程序實現的。發射機程序在設置時需包含數據的采集、發送以及顯示等模塊，而接收機程序在設置時應包含無線數據的接收、地址以及PC機通信等模塊。與此同時，在發射機與接收機上都應預留一個收發命令的接口，以便后期工作所需。無線通信模塊的作用是實現對nRF2401系統的初始化和無線數據收發功能。數據包協議格式，PRE-AMBLE主要為8bit前導碼，借助硬件系統進行自動加入；ADDRESS為32bit，用來發送地址碼；PAYLOAD至少為208bit，用以實現數據的傳送；CRC是由內置CRC糾檢錯硬件電路自動加上的校驗和。通信程序正式啟動后，系統首先會對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健以及空閑健，在工作中若需接收信號，則只需將按鍵進行閉合處理。借助MCU的P2.0引腳控制nRF2401的CE端。當系統需要發送程序時，則應直接寫入nRF2401發送配置字，再置CE端為高，nRF2401即可進入發送模式。通道1地址和發送數據由P2.7（DATA）引腳依次寫入nRF2401的緩沖區，nRF2401自動加上字頭、CRC校驗碼，將數據包以一定的通信速率發射出去。接收程序可實現對數據的連續接收工作，如需暫停或者中止數據的接收，只需按下發送鍵或者空閑鍵即可退出程序，返回到起始狀態。
2.3通信系統硬件nRF2401收發器工作原理
在該系統中，發射機與接收機的控制單位所使用的是由同一公司生產且型號相同的MCU器件。該芯片具有如下優點：一是具備超大的存儲空間；二是能耗低；三是可實現高速運轉。由于該系統中無線通信模塊所采用的是單片集成射頻無線收發器nRF2401芯片，因此可在大范圍內實現信號之間的傳遞。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、時鐘、解調處理器等功能模塊。以-5dBm功率發射時，工作電流可達10.5mA，接收時工作電流為18mA。nRF2401工作原理可基本概括為：2種通信方式、1個配置字、2個通道和4種工作模式。兩種通信模式：一是ShockBurstTM（突發模式），在此種模式下，收發數據主要由nRF2401自動處理數據包字頭、地址和CRC校驗碼加以實現，突發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行有效處理。一個配置字主要是指nRF2401內置狀態字寄存器，主要用來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，當信號被傳輸過來時，可由兩個相互獨立的專用通信進行有效接收。通道1、通道2和一般通道只能接收數據。若在通道2上連接一個天線接口，可同時實現兩組數據的接收工作。但是，通道2不是在任何頻率狀態下都能實現數據的接收。只有當它比通道1的頻率高出8MHz以上時，才能進行正常的接收工作。nRF2401所具有的四種工作模式。nRF2401收發器在工作時，首先進行的是配置模式，系統會啟動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為收發狀態；其次，借助控制器將信號傳輸出去，使得nRF2401迅速進入收發模式工作。在信號收發交互過程中，一方可進入空閑模式中，等到所有的數據被傳輸完成后，系統會自動進入關機模式中。
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闊地段進行了無線數據的傳輸試驗，并對數據的傳輸距離以及誤碼率進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糾錯電路和協議，可為數據傳輸的穩定性提供可靠的保障。在此次實驗中，接收數據均顯示正常，無異常情況發生。
4結語
射頻無線通信技術大力發展，可實現大型工程機械駕駛操控室無線通信信號傳輸。而射頻技術在工程機械儀表無線通信中的應用，可有效解決當前所面臨的長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、安全可靠等優點。
參考文獻
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