基于nRF24AP2的無線液壓參數檢測系統設計

黃鶯

（柳州鐵道職業技術學院 廣西 柳州 545007）

隨著社會的不斷發展，液壓系統在機械行業和領域中起著舉足輕重的作用。液壓系統工作狀態與可靠性在對工程機械本身的工作性能與可靠性有很大程度的影響，因此如何設計好液壓系統或維護好已有的液壓系統尤其關鍵。液壓油溫度、油箱壓力是液壓系統中主要參數，實時對它們進行監測和控制，具有重要的意義。液壓油溫度過高時，加速橡膠密封件的老化，降低使用壽命；加速泄漏，液壓泵容積效率和整個系統效率顯著下降；加速油液氧化變質，油的使用壽命降低；零部件受熱變形，破壞系統平衡等[1]；液壓系統的壓力失常會降低執行機構部件速度和精度。實時監控這些參數直接反映了系統的運行狀態，可以通過改變這些參數來調控整個液壓系統，達到更好的控制效果[2]。因此，本設計旨在實時的監測液壓系統的液壓、液壓油的溫度，以防系統參數變化而導致的系統工作不穩定，并能對相關數據進行分析、處理，從而為液壓系統的故障診斷提供依據。

1 系統總體方案設計

本系統是一個由多個無線傳感器節點（發射節點）和中心節點（接收節點）通信構成的一個典型的無線傳感器的拓撲結構。發射節點主要是完成參數的采集，比如溫度、壓力和流量。接收節點作為數據的接收和處理中心，采集來自發射節點傳來的數據，作為顯示、存儲、處理，并把相關的數據傳到PC機，還可以把采集的信息通過GSM以短信形式通知用戶。PC機主要完成數據存儲、實時顯示等，以便進行歷史數據查詢和報表的生成打印。具體如圖1整體系統框圖所示。

圖1 系統整體框圖Fig.1 System block diagram

2 系統硬件設計

2.1 單片機

通過對系統的分析和研究，在充分考慮可靠性、經濟性、安裝簡捷性，節點電路設計體積要小，采用2051單片機作為控制器。對于接收節點，考慮到要接顯示模塊電路，所需引腳數較多，剛采用了AT89S51[3]。

2.2 傳感器

溫度傳感器采用單片集成兩端感溫電流源AD590，測溫范圍為-55~+150℃，非線性誤差僅為±0.3℃，精度高，其輸出電流是以絕對溫度零度（-273℃）為基準，每增加1℃，它會增加1μA輸出電流，輸出電流與絕對溫度成比例。在室溫25℃時，其輸出電流I out=（273+25）=298μA。電流經過電阻分壓輸入到信號放大電路進行處理后接入A/D轉換器。具體的電路如圖2所示。壓力傳感器采用的是AP801系列傳感器。AP801系列壓力傳感器是陶瓷材料經特殊工藝精制而成的干式陶瓷壓阻壓力傳感器，測量精度高、穩定可靠。本傳感器量程為0～20 MPa，供電電壓為5～30 V。由于傳感器輸出電信號較小，必須經過信號放大電路處理，再輸入到A/D轉換器進行信號轉換。

圖2 AD590溫度傳感器電路圖Fig.2 AD590 temperature sensor circuit diagram

2.3 AD轉換電路

TLC549是TI公司生產的一種低價位、高性能的8位A/D轉換器，它以8位開關電容逐次逼近的方法實現A/D轉換，其轉換速度小于17μs，最大轉換速率為40 000 Hz，4 MHz典型內部系統時鐘，電源為3 V至6 V。它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構成各種廉價的測控應用系統。MCU與TLC549連接電路圖如圖3所示。CLK、VIN、DO、CS分別連接到MCU的引腳上，實現與MCU之間的通信。

圖3 AD轉換電路Fig.3 AD conversion circuit

2.4 無線發射和接收電路

nRF24AP2是Nordic公司低成本高性能的2.4 GHz無線系列成員之一，是目前市場上最低功耗的組網協議應用方案。支持簡單的點對點網絡到復雜的組網應用，內嵌ANT無線網絡協議堆棧，只需極少的外部微處理器資源，就可以在產品應用中啟用ANT連接。因此開發者無需關注其無線協議的細節及過程，無需關注如何實現低功耗及喚醒，只需根據應用需要對節點進行網絡配置就可以完成網絡的構建及應用，大大加快了開發周期。主控單片機可以通過控制輸入引腳PORTSEL引腳的電平狀態實現不同的模式通信，PORTSEL引腳設為低則選擇異步模式，PORTSEL引腳設為高則選擇同步模式；由BR3、BR2和BR1設置通信的波特率。nRF24AP2電路圖如圖4所示。

圖4 nRF24AP2電路圖Fig.4 nRF24AP2 circuit diagram

3 系統軟件設計

3.1 ANT協議分析

3.1.1 節點和信道

節點分為主節點（Master）和從節點（Slave）。信道是ANT協議中最基本、最直接的通信路徑，用以連接節點完成通信。ANT協議中，每條信道至少包含一個主節點和一個從節點。由于其采用TDMA機制，所以某一個節點在作為一條信道的主節點的同時也可以作為另外一條信道的從節點。每一個節點通常由一個MCU和一個ANT芯片組成，MCU可以采用同步或異步的串行接口來實現數據的通信。

3.1.2 ANT數據

ANT無線網絡的基本工作方式有廣播方式、應答方式方法和突發方式，因此主節點向從節點發送的數據對應的有廣播數據、應答數據和突發數據。信息在數據鏈路層以幀為單位進行傳送，分配各個信息字段含義的組織方式稱為幀格式。每一個信息以一個同步字節開始并一個校驗和結束，字節傳輸的是低位在先。信息結構如表1所示。

表1 ANT信息結構表Tab.1 ANT information structure table

信息的組成如表2所示。

表2 信息內容組成表Tab.2 Information content table

3.1.3 信道配置和節點配對

ANT節點之間實現通信之前，必須對節點進行配對，對信道參數進行配置。對信道參數的配置包括以下幾個方面：網絡號，射頻頻率，信道類型，信道周期和信道ID。

在信道參數配置時，要求主從節點網絡號、射頻頻率和信道周期等參數設置完全一致，信道類型設置也必須一一對應。對于信道ID參數，應該按照從節點遵循主節點的參數設置的原則進行配置。只有具備有相同信道ID的節點才允許配對。這一部分參數的配置，通過串口方式在ANT協議內部進行設置和控制即可。

3.2 應用層協議設計

通過串口方式在ANT協議內部對用戶數據部分進行設置和控制。ANT協議基本數據幀中有8個字節可以由用戶進行分配使用。具體如表3所示。

表3 用戶數據構成表Tab.3 User data constitute sheet

Data_1和Data_2作為從節點地址，在通信之前由主節點設置初始化共享信道。從節點可以根據數據包中的地址判斷數據包是不是發給自己，如果目的地址與自己的地址相同，則進行相應的的數據處理，如果不是自己地址，不進行任何處理。Data_3表示數據包中包含的用戶數據類型，這個可以用來對不同參數的控制。Data_4…Data_8長度可變，由用戶自行定義。

3.3 節點底層設計

節點底層設計主要完成與硬件的通信控制，主要包括硬件初始化、MCU與nRF24AP2芯片間的通信。

3.3.1 硬件的初始化

這一功能主要是設置硬件工作的方式。MCU可以通過控制輸入引腳PORTSEL引腳的電平狀態實現不同的模式通信，PORTSEL引腳設為低則選擇異步模式，PORTSEL引腳設為高則選擇同步模式；由BR3、BR2和BR1設置通信的波特率。同時設置SUSPEND為高，SLEEP為低。

3.3.2 MCU與nRF24AP2芯片間的通信

MCU與nRF24AP2芯片間的通信用異步串口的方式進行通信。數據流是通過RTS信號進行。RTS信號將在接收到一個格式正確的消息后拉高大約50μs時間。RTS信號周期與速率無關。當ANT將RTS信號置高后，主控MCU將不會再發送任何數據，直到RTS信號再次拉低。從ANT到主控MCU方向沒有數據流控制信號，所以MCU必須具備隨時接收來自ANT數據的能力。數據的讀寫過程是：發送數據時，先把數據放入串口緩沖區，通過串口發送出去；接收數據時，先將接收到的數據寫入接收緩沖區，然后再從緩沖區中讀取相應的數據。

3.3.3 上位機監控通信軟件的實現

上位機能夠實時在線采集、顯示、存儲與查看及數據處理等功能。VB6.0不但提供了良好的界面設計能力，還提供MSComm控件。在實際設計中，只需設置MSComm控件的屬性和事件，然后按照相應的通訊規約就可以實現串行通訊，非常方便。

4 系統測試

4.1 測試環境

測試在上述的3個節點組成的無線網絡中進行，中心控制節點通過串口與PC機進行連接。通過PC上的液壓監控系統完成對2個從節點溫度和壓力數值進行采集。

4.2 測試結果

在PC上運行液壓監控系統后，可以正確讀取液壓系統中的溫度和壓力數值。對每一個參數還設定了上限報警值和下限報警值。如果測量的數值超過上、下限報警值，相應的信號指示燈由綠色變為紅色。具體如圖5所示。本系統主要是依靠專家的實踐經驗，通過診斷液壓系統的溫度、壓力等參數變化來診斷系統故障[6]。采用超低功耗的芯片nRF24AP2和單片機構成無線液壓檢測系統，可以檢測液壓系統的主要參數溫度和壓力，闡述了系統軟件和硬件設計，并用Visual Basic 6.0為開發液壓檢測軟件，可以實現參數實時檢測，并能夠實現保存、打印功能。實驗表明該系統穩定、操作快捷、性價比高，能夠滿足液壓元件測試要求，可以應用其它到液壓系統。

圖5 液壓監控系統測試結果圖Fig.5 Test results of hydraulic monitoring systems test results

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