基于nRF24L01+的智能車無線監控系統設計

趙耕云，王佳，馬臣斌

（1.蘭州工業學院汽車工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.北汽銀翔汽車有限公司，重慶 401520）

前言

飛思卡爾尋跡智能車是嵌入式設計領域研究的對象。在智能車制作調試過程中廣泛采用串口線配合上位機軟件作為調試工具，這種有線調試工具在車模運行時使用極不方便。本文以第十一屆恩智浦大賽電軌型智能車為研究對象，設計了一種基于nRF24L01+的無線監控系統。該系統可以在智能車運行過程中，通過無線通信的方式使上位機接收到車速、方向等智能車運行參數，解決了采用有線串口方式調試智能車的諸多不便，同時，該系統還可以實現上位機對智能車的遙控功能，實現遙控尋跡雙工作模式，增加了智能車的趣味性。

1 系統總體方案設計

智能車以MC9S12XS128為主控制器，通過檢測鋁膜導引線的位置，由主控制器運算后控制舵機方向和電機轉速，實現車模沿導引線路徑自動尋跡。MC9S12XS128與STC89C52之間通過串行口通信，STC89C52將接收到的智能車運行狀態參數通過nRF24L01+發送出去，同時，STC89C52也可將 nRF24L01+接收到的來自上位機的控制信息通過串口發送給XS128。在PC機端，上位機采用LabVIEW編寫控制程序，通過nRF24L01+模塊和USB轉nRF24L01+模塊，實現智能車運行數據的接收和控制信息的發送。圖1為系統示意圖。

2 硬件電路設計

2.1 車載端電路設計

nRF24L01+是一款工作在 2.4～2.5GHz世界通用 ISM 頻段的單片無線收發器芯片，是一款真正的GFSK單片式收發芯片，內部集成通信協議，具有自動應答、自動重發功能。由于nRF24L01+集成了所有高速鏈路層操作，所以無需單片機硬件上一定有SPI口與其相連，51單片機通用I/O口模擬SPI接口即可。

為了實現對智能車的無線遙控和自動尋跡時運行狀態參數的采集，采用STC89C52單片機和nRF24L01+模塊設計無線收發控制模塊。電路如圖2所示，其中nRF24L01+的中斷信號引腳接單片機外部中斷0輸入引腳P3.2，數碼管用于顯示 nRF24L01+的當前工作模式，方便觀察調試。STC89C52單片機與智能車主控制器XS128之間通過串行口進行通信。

圖2 無線收發控制模塊電路圖

2.2 PC端電路

圖3 PC端電路模塊

PC端采用USB轉nRF24L01+模塊，實現上位機與PC端nRF24L01+之間的數據收發，模塊如圖3所示。通過串口調試助手發送AT命令進行初始化設置，設置波特率9600，通訊頻率2.400GHz，16位CRC校驗，發送功率0dBm，空中傳輸速率2Mbps。

3 軟件設計

3.1 XS128程序設計

智能車主控制器采用飛思卡爾MC9S12XS128單片機，當智能車處于自動尋跡模式時，XS128單片機主要進行路徑信息采集、車速和行駛方向控制，同時將智能車車速和舵機方向數據通過串口發送給STC89C52單片機。當智能車處于遙控模式時，XS128接收由STC89C52通過串行口發送來的控制命令，執行相應動作，同時也將車速和方向數據通過串口發送給 STC89C52。經過分析可知，智能車加入遙控模式代碼后，對原自動尋跡程序并無很大修改，僅通過條件判斷，控制CPU運行選定的其中一種工作模式的代碼即可。主程序流程如圖4所示：

圖4 XS128單片機主程序流程

3.2 STC89C52單片機程序設計

設計的無線監控系統具有兩種功能：一是在車模自動尋線模式下，將車模行駛過程中的狀態參數無線發送到上位機；二是在遙控模式下，對車模進行短距無線控制。車載端控制器STC89C52作為整個系統的核心，需要控制nRF24L01+實時發送智能車運行狀態參數，又需要不斷接收來自上位機的控制信息，故采用STC89C52控制nRF24L01+模塊，使其工作于半雙工模式。nRF24L01+初始化為發送模式，當發送完一包數據后，產生發送完成中斷請求，在中斷服務程序中將nRF24L01+切換為接收模式，主程序延時，等待接收中斷信號產生。在此期間，若nRF24L01+接收到數據，則讀取數據，并將 nRF24L01+切換回發送模式，若在主程序延時時間內nRF24L01+沒有接收到數據，則在主程序中將nRF24L01+再切換為發送模式。半雙工工作模式使nRF24L01+收發數據能夠分時進行，互不影響。車載端nRF24L01+初始化設置與PC端的nRF24L01+初始化設置相同。STC89C52主程序流程如圖5所示：

圖5 主程序流程圖

外部中斷0中斷服務程序流程如圖6所示。

圖6 外部中斷0中斷服務程序流程

4 上位機設計

圖7 無線監控軟件前面板

上位機軟件采用 LabVIEW 編寫。設計的智能車無線監控軟件前面板如圖7所示。前面板可以顯示當前智能車的車速和方向數據。當車模處于遙控模式時，采用A、D、S、W、X等按鍵控制智能車的運行，并顯示當前車模的狀態信息。“VISA資源名稱”控件用于選擇PC端nRF24L01+所在的串行口。

軟件的程序框圖如圖8所示：

圖8 無線監控軟件程序框圖

5 結論

本文以STC89C52和nRF24L01+無線數傳芯片為核心，采用 LabVIEW 編寫上位機軟件，為飛思卡爾電軌型智能車設計了一套無線監控系統，通過該系統可以實時獲取智能車運行過程中的參數，方便調試，同時，通過對智能車主控制器XS128程序的少量修改，可以進行短距無線控制，實現電軌型智能車自動尋跡和遙控雙工作模式。通過試驗，該系統在30m范圍內工作可靠，穩定性較好，滿足智能車的調試需求。系統對原電軌型智能車的軟硬件改變都很小，加裝方便，具有實用性。

參考文獻

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