基于單片機的工業無線遙控系統

何 宏 徐驍駿 張志宏,2

(1.天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室,天津 300384；2.天津廣播電視臺傳輸發射部,天津 300072)

基于單片機的工業無線遙控系統

何 宏1徐驍駿1張志宏1,2

(1.天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室,天津 300384；2.天津廣播電視臺傳輸發射部,天津 300072)

針對傳統工業遙控存在的安全隱患問題，設計了一款基于C8051F120單片機的工業無線遙控系統。給出系統的總體結構、硬件組成與軟件流程。對高壓清洗爬壁機器人的測試結果表明：該系統發射端與接收端在比較惡劣的工業環境下仍能進行穩定的無線數據收發，控制精準，提高了工業現場遠距離作業時的安全性和可靠性。

無線遙控系統 單片機 SI4432 無線通信

隨著我國現代化工業建設的發展，對工程機械的要求越來越高，安全、穩定等因素已經成為目前遙控工程機械的必要條件。傳統的工程機械控制方式，即線纜控制方式的弊端逐漸凸顯，如布置電纜引線費時費力，電磁干擾通過線纜將耦合進系統，觸發噪聲[1]。因此，遠距離無線通信代替傳統人工操控方式已經成為工程機械信息化的必然趨勢[2,3]。由此可見，工業領域爬壁機器人的無線遙控系統將有著廣闊的應用前景。筆者針對目前市面上遙控工業爬壁機器人產品存在的安全問題[4]，結合工程機械的實際需求和遙控技術的發展現狀，通過對嵌入式產品、無線通信技術的研究，設計了一款針對工程機械的穩定性強、安全性高且具有高度通用性的工業無線遙控系統。

1 系統總體結構

根據工業遙控系統的功能需求分析并結合實際情況，工業無線遙控系統主要由發射終端和接收終端兩部分構成，兩者之間通過無線射頻模塊進行通信，有線通信方式作為備用方案。

發射終端設計成便攜式產品，由操作人員直接控制，對動作指令進行發送，并通過接收回饋信號來監控整個系統的運行。接收終端安裝在泵車、天車及爬壁機器人等工程機械上，接收發射終端傳來的控制指令，并通過工業總線傳輸給工程機械。

2 系統硬件部分

2.1發射終端硬件設計

發射終端(圖1)由微控制器模塊、通信模塊和信號采集模塊組成。以C8051F120單片機為核心，通過采集搖桿、旋鈕及按鍵等模塊的輸入信號，產生相應的控制指令，并通過無線通信模塊發送到接收終端上[5]。考慮到工業現場環境對無線通信的干擾，發射終端還設計了RS-485總線傳輸方式作為備用，增加系統的可靠性。

圖1 發射終端結構框圖

2.1.1微控制器模塊

微控制器是整個遙控系統的核心器件，綜合各種需求，選用C8051F120單片機。

C8051F120是完全集成的混合片上信號系統型MCU芯片，具有64個數字I/O口、片內VDD監視器、看門狗定時器、時鐘振蕩器、128KB的可編程FLASH存儲器、8448(8K+256)Byte的片內RAM、硬件實現的SPI、I2C、兩個UART串行接口和真正12位、100ksps(kilo samples per second)的ADC，帶有PGA和8通道模擬多路開關，支持快速喚醒和最低0.9V的供電，多種電源管理模式，很好地滿足了系統對遙控的要求。

2.1.2無線通信模塊

射頻模塊硬件電路(圖2)選用SI4432無線收發芯片，該芯片具有集成度高、功耗低等特點，適合在電池供電系統中進行無線收發工作。SI4432工作電壓1.8～3.6V，適用于3.3V的控制電路中；可配置工作頻段范圍為315～915MHz(本設計采用433MHz頻段)。SI4432內部集成了分級式天線、功率放大器及64Byte的收發FIFO等功能，且具有數字調制解調、定時喚醒等功能；數據傳輸比特率最高可達256kbit/s，采用FSK/GFSK/OOK調制，可配置數據包結構內部集成的功率放大器的輸出功率可配置在1.3～100.0mW之間。為了使發射引腳達到最大功率，對系統內部的PA進行了匹配設計，其中包括切比雪夫濾波器和LC匹配網絡兩部分。

圖2 SI4432射頻模塊硬件電路

SI4432與C8051F120單片機之間通過四線制SPI總線進行配置與數據傳輸，3個通用I/O引腳配置成發送/接收功能切換，類似一個單刀雙擲開關。當C8051F120通過交叉開關配置好I/O口后，SI4432分別與C8051F120的SPI接口對應連接。C8051F120作為主機，通過SPI對SI4432內部寄存器進行讀/寫操作，當實際環境無法進行無線傳輸時，主機將SDN設置為高電平，關斷無線通信模塊，采用RS485總線通信方式。當SI4432發送數據完成、接收到數據或系統上電復位后，SI4432將中斷輸出引腳，nIRQ變為低電平，C8051F120接收外部中斷，進入相應的中斷服務子函數中進行處理。

2.1.3信號采集模塊

信號采集模塊電路如圖3所示。

圖3 信號采集模塊電路

開關量通過獨立按鍵進行采集。模擬量包括搖桿信號、旋鈕信號和內部電池電壓信號(表1)。這些模擬量均為電壓信號，通過C8051F120的ADC0采集，它包括一個九通道的可編程模擬多路選擇器、一個可編程增益放大器、和一個100kSps、10位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。

表1 7路模擬量輸入

2.2接收終端硬件設計

遙控系統的接收終端安裝在現場工業機械上，接收發射終端發出的控制指令，并通過工業總線的方式傳輸給工程機械，實現對工程機械的控制。接收終端的微控制器、通信模塊與發射器的一致，其他部分的硬件電路根據不同的工程機械而變化。

3 系統軟件部分

在KeiluVision4開發環境下，采用C語言對工業無線遙控系統程序進行開發與調試。整個程序由主函數、中斷服務子函數和功能子程序構成。發射器主函數流程如圖4所示。

圖4 發射器主函數流程

無線遙控系統通信模塊程序設計主要包括接口初始化、通信方式選擇、數據讀寫程序、SI4432芯片初始化、RS-485接口初始化和控制指令收發程序。接口初始化包括SI4432工作頻率、波特率、發送數據功率、工作模式、發送/接收數據包格式、內部功能模塊、調制操作及FIFO模式等的設置。SI4432與C8051F120之間通過SPI總線通信，C8051F120作為主機向SI4432寫入讀寫地址，然后讀寫相應寄存器的數據。具體讀寫程序流程如圖5所示[6]。

4 系統測試與分析

為了驗證無線遙控系統設計的可靠性，選取了一款高壓清洗爬壁機器人進行測試。通過無線遙控機器人的前進、后退、左右轉圈來進行遙控系統的通信試驗。

圖5 SPI讀寫程序流程

無線遙控系統發射/接收的中心頻率433MHz，x軸范圍為5MHz，y軸最大值為15dBm(間隔10dBm)，測試通信距離最高可達500m。設置完成后，給系統供電，由發射器發送行車指令。可以觀察到，在設定的通信范圍內，兩個電機行駛速度基本一致。

5 結束語

筆者提出的以C8051F120單片機為主控芯片的無線遙控系統，有效解決了傳統工業遙控存在的安全隱患問題，且系統體積小、安裝方便、功耗低、無線傳輸性能優越、機械復雜度低、更換、維修方便。該系統在設計時預留了足夠多的搖桿、按鍵燈信號采集接口和通用I/O口來保證系統的通用性，使系統易擴展、易改進，可以滿足不同工程機械的要求。

[1] 朱正偉,張丹,王其紅,等.無線遙控移動溫濕度采集系統的研究[J].化工自動化及儀表,2013,40(9):1122～1125.

[2] 李曉海,南新元.GPRS無線通信在油井集中監控系統中的應用研究[J].化工自動化及儀表,2012,39(1):130～132.

[3] 趙志華,段志偉.基于無線通信技術的溫室環境參數監測系統[J].化工自動化及儀表,2014,41(6):724～727.

[4] 劉付川.工程機械遙控裝置的設計與實現[D].南京:南京理工大學,2014.

[5] 包立,王曉榮,程明霄.基于C8051F120的可燃氣體無線報警系統設計[J].化工自動化及儀表,2010,37(12):66～69.

[6] 許永通.基于si4432的高性能無線收發系統設計[D].杭州:杭州電子科技大學,2014.

IndustrialRemoteControlSystemBasedonMCU

HE Hong1, XU Xiao-jun1, ZHANG Zhi-hong1,2

(1.TianjinKeyLaboratoryforControlTheoryamp;ApplicationsinComplicatedSystems,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China; 2.TransmissionandLaunchDepartment,TianjinRadioandTVStation,Tianjin300072,China)

Considering potential risks in traditional industrial remote control, a C8051F120 MCU-based wireless remote control system was designed; and its overall structure, hardware configuration and software process were presented. Applying it in wall-climbing robots for high pressure cleaning indicates that the data can be sent and

steadily between transmitting terminals and receiving terminals in this system even in unfavorable environments, which largely improves the safety and reliability for long-distance operation; its small size, easy installment, low power consumption and excellent wireless transmission can improve both safety and reliability in remote industrial application.

wireless remote control system,MCU, SI4432, wireless communication

TH862

A

1000-3932(2016)05-0513-04

2015-11-05(修改稿)

天津市科技支撐重大科技工程專項基金資助項目(14ZCDGSF00028)；天津市高等學校創新團隊培養計劃項目(TD12-5015)