基于nRF905無線多軸電機控制系統(tǒng)的設計

王勁松，程 棟

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

基于nRF905無線多軸電機控制系統(tǒng)的設計

王勁松，程 棟

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

針對光學干涉儀測量過程中人為干擾和手動調(diào)整的局限性，設計基于nRF905射頻芯片，采用無線傳輸?shù)姆绞娇刂贫嗤ǖ啦竭M電機控制系統(tǒng)，通過手持終端遠程控制多路電機調(diào)整光學干涉儀。滿足無線遠程控制、高精度、低振動、多通道的特殊要求。文中給出了無線多軸電機控制系統(tǒng)的框圖和硬件設計電路，并且通過實驗數(shù)據(jù)驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高精度的控制要求。

無線控制；電機控制；高精度；多通道；nRF905

0 引言

在許多特殊的測量場合下，比如高低溫環(huán)境、真空環(huán)境、人不能參與的環(huán)境下等，傳統(tǒng)的測控方式可能不能滿足測量要求，大型光學干涉儀應用于測量大尺寸光學元件的表面平整度，因為應用在特別的測量場合，對測量的精度要求很高，達到納米級，所以一些人為的干擾（比如說話、走動等）就會引起測量誤差，而傳統(tǒng)的大型干涉儀大部分都是通過手動調(diào)節(jié)來測量的，避免不了人為干擾，文中設計一種基于無線控制的電機控制系統(tǒng)來控制干涉儀的測量，排除了人為干擾因素，滿足高精度、低振動的測量要求，文中設計的系統(tǒng)要求控制精度達到0.5um，無線控制的距離是要求能夠穿過房間達到20m，接收靈敏度滿足-80dBm，發(fā)射功率滿足+6dBm。

挪威Nordic VLSI公司推出的nRF905單片射頻收發(fā)器，接收靈敏度為-100dBm，最大發(fā)射功率為+ 10dBm，工作頻率433MHz，工作速率50kbPs，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合［1-3］。

1 總體設計方案

整個系統(tǒng)分為控制發(fā)送終端與接受執(zhí)行終端，控制發(fā)送終端采集傳感器的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)，接受執(zhí)行終端接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、控制電機驅(qū)動器。

控制發(fā)送終端的設計采用的傳感器為電阻式搖桿，傳感器的數(shù)據(jù)通過AD采集傳輸?shù)街骺匦酒琻RF905采用的是SPI接口，主控芯片采用AVR 8位微處理器ATmega16L，芯片集成了10位ADC轉換，高速SPI接口，接受執(zhí)行終端的功能是將NRF905接收到的數(shù)據(jù)進行采集與處理，然后去控制步進電機做出相應的動作［2］，電機驅(qū)動器是通過脈沖個數(shù)來控制電機的轉動，為了實現(xiàn)步進電機轉動的平穩(wěn)度，需要采用了細分［3］，所以接受執(zhí)行終端的主控芯片需要高速的控制芯片，文中采用了TI公司高性能、高處理速度的DSP 32位微處理器TMS320F28335，在設計過程中還考慮了系統(tǒng)的反應速度和穩(wěn)定性，無線電機控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

控制發(fā)送終端中，AVR采集搖桿的數(shù)值進行A/D轉換，然后將數(shù)據(jù)通過nRF905發(fā)送出去，接受執(zhí)行終端中DSP控制nRF905采集接收的數(shù)據(jù)，然后通過分析，控制步進電機驅(qū)動器去控制步進電機做出相對應的運動，限位開關設置在運動軌道的兩端，防止電機在導軌兩端因為操作不當造成機械結構部分損壞。

圖1 無線電機控制系統(tǒng)框圖

2 硬件設計

整個系統(tǒng)的硬件設計主要分為三大部分：nRF905射頻電路、DSP和AVR與nRF905的接口電路、驅(qū)動器接口電路。

2.1 nRF905射頻電路

nRF905芯片中集成了頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，無需外加濾波器，只需要簡單的外圍電路就可以組成射頻收發(fā)電路，nRF905射頻電路的原理圖如圖2所示，天線部分設計是基于433M通訊頻率來設計的。

圖2 工作在433MHz nRF905射頻電路的原理圖

天線的輻射功：

天線的電阻：

式中：l表示的是天線的長度，λ表示的是射頻載波的波長

因為天線入口處的電流要跑到天線的末端之后，才能發(fā)射出去，所以，對天線進行積分的電流是末端電流，積分形成一個疊加輻射場，于是形成一個天線長度與波長的函數(shù)，計算結果表明，四分之一波長，整體效果比較好［4］。

所以，在發(fā)射端連接50Ω單端鞭狀天線。

2.2 單片機與nRF905的接口電路

nRF905內(nèi)部有5個寄存器：狀態(tài)寄存器、配置寄存器、發(fā)射地址寄存器、發(fā)射數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器，除了對寄存器讀寫外，還需對nRF905工作模式的切換進行控制，DSP和AVR與nRF905的信號連接如圖3所示。

TMS320F28335與nRF905之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸使用SPI接口，DSP的GPIO16、GPIO17、GPIO18、GPIO19連接nRF905的SPI接口，GPIO20-GPIO26連接nRF905的控制信號和模式控制信號，用于nRF905的模式切換以及通信過程中必須的信號的傳輸，ATmega16L與nRF905的接口電路同樣采用SPI接口電路。

圖3 DSP和AVR與nRF905的信號連接圖

2.3 步進電機驅(qū)動器接口電路

步進電機驅(qū)動器采用的是MSST5，采用脈沖方向輸入模式，脈沖信號來控制轉動速度，另一路邏輯信號控制轉動方向（順時針或逆時針），輸入信號是5V邏輯信號，最小脈寬500ns；換向信號建立時間2us（最小），最大脈沖頻率2 MHz。

圖4 DSP與電機驅(qū)動器的接口電路

DSP的GPIO引腳的輸出是3.3V，而驅(qū)動器的輸入信號是5V的邏輯信號，所以還需要將3.3V的信號轉換成驅(qū)動器接收的5V信號，我們采用的是74HC245總線驅(qū)動器，74HC245的電源輸入引腳VCC接到5V，DSP的輸出引腳通過74HC245就輸出5V的CMOS邏輯信號，如圖4所示。

這個接口電路既滿足了設計要求而且提高了IO口的驅(qū)動能力，提高了穩(wěn)定性，通過實驗數(shù)據(jù)驗證DSP的IO端口的上升時間為10ns，74HC245輸出端口的上升時間為10ns，滿足高速脈沖頻率。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 主從控制主函數(shù)

控制發(fā)送終端與接受執(zhí)行終端的主函數(shù)流程圖如圖5所示，控制發(fā)送執(zhí)行終端的主要的功能是采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，首先初始化單片機的IO端口、A/D轉換、SPI總線，設置IO端口的輸出或輸入，設置A/D轉換寄存器和SPI總線寄存器的初始值，初始化nRF905的參數(shù)，設置nRF905寄存器的值，包括地址匹配、工作頻率、輸出功率等，采集搖桿的AD數(shù)值，然后控制nRF905將這些數(shù)值發(fā)送出去。

接受執(zhí)行終端的主要功能是接受數(shù)據(jù)和控制電機，首先初始化單片機的IO端口、SPI總線、定時器，設置定時器中斷的時間，初始化nRF905的參數(shù)，設置為接受模式，判斷限位標志位，是否去執(zhí)行限位狀態(tài)下控制電機，讀取nRF905接收的數(shù)據(jù)，處理接收的數(shù)據(jù)，分析出所需的變量、要控制的電機、運動方向、運動的速度，輸出信號到電機驅(qū)動器控制電機做出所需的動作。

圖5 控制發(fā)送終端與接受執(zhí)行終端的主函數(shù)流程圖

3.2 nRF905的初始化

nRF905的初始化是無線通訊過程的關鍵的問題，nRF905的所有配置都是通過SPI接口進行的，nRF905的SPI接口只有在掉電模式和standby模式是激活的，當CSN為低時，SPI接口開始等待一條指令，任何一條新指令均由CSN由高到低的轉換開始，nRF905的初始化分為發(fā)送模式和接收模式兩種，其工作的過程如表1所示，在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)如果要進行接收和發(fā)送模式轉換時，需要對nRF905進行重新配置和初始化［5］。

表1 nRF905初始化過程

3.3 多通道步進電機的運動控制

步進電路是通過脈沖進行控制的，每一個脈沖使步進電機轉動一個步進角，在控制步進電機時需要單片機輸出脈沖信號，而本系統(tǒng)中需要控制8路步進電機并且需要實現(xiàn)精確控制，沒有采用常規(guī)的PWM控制方式，有兩個原因：一是沒有足夠PWM輸出引腳；二是不能精確的控制輸出脈沖數(shù)，為了實現(xiàn)本系統(tǒng)設計的要求，我們采用了一種新型控制方式，系統(tǒng)采用軟件定時，使用DSP的定時器T0，定時器每溢出一次就反轉GPIO口，兩次反轉就產(chǎn)生一個脈沖信號，然后控制步進電機轉動，程序只占用了一個定時器，但卻極大地提高了CPU的利用率，CPU在定時器沒產(chǎn)生溢出時運行其它程序。

4 測量實驗及應用

4.1 調(diào)整分辨率

在設計過程中，通過軟件細分的方式，采用了4檔速度，輸出的脈沖頻率范圍由310Hz到250KHz，方便操作人員在操作過程中有多種控制方式，圖6是DSP輸出最大的脈沖頻率的波形圖，輸出穩(wěn)定準確的脈沖信號。

圖6 最大的頻率輸出波形圖

圖7 是傳感器控制信號產(chǎn)生到脈沖信號輸出比較圖，輸出的波形圖中，我們得出從無線搖桿的操作到DSP做出相應的反應，中間所需的時間是30ms，當采用最低檔速度時，DSP輸出的頻率是310Hz，步進電機的軟件細分是8000，結構上采用了100：1的減速比，運動導桿的導程是1mm，通過計算：

（30/1000）*310/8000/100*1*106=12.5nm

系統(tǒng)的最小的滯后是12.5nm，達到設計要求。

圖7 傳感器控制信號產(chǎn)生到脈沖信號輸出的時間

4.2 實際應用與電機振動測試實驗

文中設計無線多軸電機控制系統(tǒng)就是應用在Zygo干涉儀，通過手持終端遠程控制電機調(diào)整多個方向的移動，在測試過程中將標準件（光學鏡片）與測試件都安裝在Zygo干涉儀，通過多個方向調(diào)整測試件使標準件與測試件形成干涉條紋，如圖8所示。

圖8 標準件與測試件形成干涉條紋

干涉儀通過在定點時干涉條紋的移動來測量干涉儀的振動，圖9是Zygo干涉儀振動測量圖，圖9（a）是掉電狀態(tài)下的振動曲線，圖9（b）是電機在定點位置時的振動曲線，從圖中我們可以得出，兩者的振動的幅度都是在±12.5nm內(nèi)，振動的頻率都是在低頻（5Hz以下）范圍內(nèi)，說明了電機的振動對測量基本沒有影響，因為電機的控制信號為高頻，在測量圖中幅度很小，也說明整個系統(tǒng)達到的測量精度。

圖9 Zygo干涉儀振動測量圖

5 結語

該系統(tǒng)實現(xiàn)了利用無線通信方式對多路步進電機遠程無線的控制，采用精確脈沖數(shù)控制方式，在實際操作環(huán)境中能夠快速并精確的控制步進電機的轉動，滿足無線控制、高精度、低振動的特殊要求，在很多特殊領域可以得到應用，該系統(tǒng)也為步進電機的應用提供了一種參考。

［1］ 陸甲子，陳俊杰，邢后銀.一種用于無線傳感器網(wǎng)絡的三相電機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.測控技術，2008，27（12）：60-64+69.

［2］ 李立明，柴曉冬，方宇.基于PTR2000的步進電機無線控制系統(tǒng)［J］.微型機與應用，2010（6）：88-90.

［3］ 劉寶志.步進電機的精確控制方法研究［D］.濟南：山東大學，2010.

［4］ 陳華君.RFID技術原理及其射頻天線設計［J］.廈門大學學報（自然科學版），2005，44（增刊1）：312-315.

［5］ 蔣博.nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2006（3）：52-61+60.

責任編輯：吳旭云

Design of W ireless M ulti-axis M otor Control System Based on nRF905

WANG Jingsong，CHENG Dong
（School of OPtoElectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

In order to solve the limitations of anthroPogenic interference and manualmobilization in the oPtical interferometermeasurement，the nRF905-based RF chiP is designed，which adoPts wireless transmission to control themulti-channel stePPermotor control system，and makes remote control to adjust the oPtical interferometer by hand-held terminal.Itmeets the sPecial requirements ofwireless remote control，high-Precision，low vibration andmulti-channel.This PaPer Presents a block diagram of thewirelessmulti-axismotor control system and the hardware design circuit.And the stability and high-Precision of the system are verified by exPerimental data.

wireless control；motor control；high-Precision；multi-channel；nRF905

TP273

A

1009-3907（2015）06-0030-06

2014-08-20

王勁松（1973-），男，吉林長春人，副教授，博士，主要從事光電測控系統(tǒng)與儀器方面的研究；程棟（1989-），男，湖北黃石人，碩士研究生，主要從事高精度轉臺控制方面的研究。