車輛搬運器無線通信設計

張 平

（甘肅泓盛達科技有限責任公司，甘肅 平?jīng)?744000）

0 引 言

車輛搬運器可以完成車輛在車庫轉(zhuǎn)換層、停車位等相互間的搬運任務，車庫控制器與搬運器之間的通信多采用有線方式，但由于車輛搬運器的頻繁移動，在立體車庫使用一段時間以后，通信電纜易出現(xiàn)斷裂而造成無法正常傳輸信號，無形中增加了故障點。通信系統(tǒng)是立體車庫的控制中樞，直接影響著立體車庫的運行穩(wěn)定性，采用無線通信取代有線通信是車輛搬運器控制的發(fā)展方向[1]。Profibus-DP可以提供開放式的現(xiàn)場總線解決方案，可以用于車輛搬運器通信。該通信協(xié)議具有精簡的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。物理層采用RS-485硬件標準，鏈路層用于訪問控制和為上層提供數(shù)據(jù)緩存、存取點管理，可以滿足車輛搬運器的無線通信要求。

1 車輛搬運器無線通信設計

1.1 近距無線通信技術(shù)對比

所謂近距離通信就是指功率不超過10 mW且距離在幾百米的近場通信技術(shù)，采用該通信技術(shù)不需要投入太多的資金，也不會產(chǎn)生太大的功耗，可以實現(xiàn)對等通信。當前主要的近距離無線通信技術(shù)有藍牙、ZigBee、射頻以及WiFi等，其中藍牙、射頻以及WiFi的應用比較廣泛。藍牙無線通信的距離低于10 m，通信速率不超過1 Mb/s，通信頻率在2.4 GHz，不需要進行頻率申請，但技術(shù)開發(fā)難度較大；無線射頻技術(shù)的通信距離不超過1 000 m，通信速率可以達到2 Mb/s，通信頻率在1～2.4 GHz，通信頻率不需要進行申請，開發(fā)起來比較容易；WiFi技術(shù)通信距離不超過300 m，通信速率最高可以達到11Mb/s，通信頻率在2.4GHz以上，開發(fā)存在較大難度[2-4]。

1.2 Profibus無線解決方案

R-fieldbus總線物理層應用傳統(tǒng)的DP接口，WLAN直接序列擴頻，傳輸速率在2 Mb/s，有著很高的實時性、抗干擾性以及保密性。但是，該總線不兼容Profibus-DP協(xié)議。無線網(wǎng)關(guān)可以使不同通信協(xié)議實現(xiàn)互聯(lián)，市場上有著很多成熟的產(chǎn)品，但采用無線網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)Profibus-DP與無線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換有著較大的延時，多用于PC機與輸入輸出控制器間的數(shù)據(jù)交換。無線中繼可以在Profibus系統(tǒng)中某站點安裝有線、無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換調(diào)制解調(diào)器，無線信號通過中繼接入到Profibus物理層，在物理層面實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。采用無線中斷通信模塊可以實現(xiàn)Profibus的無線信號傳輸，選擇無線射頻芯片與無線中繼法來進行立體車庫車輛搬運器無線通信設計[5-8]。

2 Profibus無線通信模塊的硬件設計

2.1 通信模塊原理

根據(jù)Profibus通信減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換延時的要求，無線芯片應該采取直接模式。采用CC1101芯片作為通信模塊核心，CC1101芯片可以結(jié)合具體的通信方式采用不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，工作頻段不超過1 GHz，供電電壓為1.8～3.6 V，擁有6個數(shù)字量輸入輸出引腳、3個模擬量輸入輸出引腳以及兩個檢點射頻輸入輸出引腳。此外，其內(nèi)部集成頻率發(fā)生器、調(diào)制解調(diào)器，內(nèi)置鏈路層可采用SPI接口進行參數(shù)設置。工作頻率為433 MHz時波長較大，具備信號反射、繞射性能，功耗可以達到最低。

為了更好地減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的時間延遲，一塊無線芯片用于發(fā)送，另一塊無線芯片用于接收，設置不同的通道來降低影響。如果AB線上形成有效差分信號，可通過RS-485串口中的ADM2486轉(zhuǎn)換成TXD信號，再傳送給1號的CC1101芯片的GDO0引腳，將接收到的數(shù)字信號調(diào)制處理成無線信號后再發(fā)送。如果獲取到無線信號，2號的CC1101芯片將無線信號換變?yōu)閿?shù)字信號后傳輸至ADM2486，之后將數(shù)字信號換變?yōu)椴罘中盘柌⑤斔椭罙B線，具體原理如圖1所示。

圖1 車輛搬運器無線通信原理

2.2 芯片外圍電路

無線芯片CC1101選擇在433 MHz頻率，外圍電路由電源退耦電路、濾波器、平衡轉(zhuǎn)換器以及晶體負載等構(gòu)成，具體如圖2所示。

圖2 CC1101芯片外圍電路

C11—C15為電源退耦電容，可以對高頻噪音進行濾除，并為觸發(fā)脈沖提供能量。電容C4、C6和電感L1、L2共同建立起平衡轉(zhuǎn)換器，可以將無線芯片起到微分作用的端口RF轉(zhuǎn)變?yōu)閱味诵盘枺⑹馆敵鲂盘柋３肿畲笾?。平衡轉(zhuǎn)換器和信號網(wǎng)絡具體設計值可以通過設計軟件獲得，當無線芯片CC1101運行頻率為433 MHz時，電容 C4、C6取 3.9 pF，電感L1、L2取27 nH。

晶體需要設置在XOSC_Q1、XOSC_Q2引腳間，還需要匹配負載電容才可以正常使用，電容值通過總負載容量CL來確定。當晶體運行在指定頻率時，為保證晶體可以正常振蕩，兩端總負載電容也應該取CL，計算公式為：

式中，Cp為寄生電容值，取2.5 pF。

使用L3、L4與C7構(gòu)建T型濾波器，電路結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的π型濾波器更為合理，多增加1個串聯(lián)電感，可以使電路具有良好的阻交流、通直流的特性，對諧波有著良好的抑制效果。同時，因為串聯(lián)2個電感會使濾波器前、后信號耦合值變小，所以該T型濾波器可以起到更好的濾波效果。

天線是實現(xiàn)射頻信號傳輸?shù)难b置，其性能好壞將影響整個通信系統(tǒng)的運行質(zhì)量與通信距離。低功耗、短距離多采用PCB天線、螺旋天線等。由于PCB天線可以嵌入到電路板中，有著設計成本低、占用體積小以及功耗較少等優(yōu)點，因此車輛搬運器無線通信系統(tǒng)通常采用PCB天線。為保證后續(xù)調(diào)試順利進行，可將電源接口、RS-485接口等都與P1插座連接，這樣可以與其他的電路板進行快速電氣連接[9,10]。

2.3 單片機外圍電路

CC1101芯片配置要采用SPI接口，程序調(diào)試還需要采用JTAG接口，這就要求選用的單片機具有上述兩種接口。Atmega162單片機具備低功耗、單時鐘周期執(zhí)行時間短等優(yōu)點，有著很快的運行速度，配置有兩個獨立的USART串行接口和1個SPI接口。由于該單片機復位操作為低電平有效，因此電阻需要與3.3 V電源進行連接，電阻值取10 kΩ，電容值取10 μF。

SPI接口電路將單片機與無線芯片進行連接，將1個單片機接口與兩個無線芯片進行連接。將單片機作為主機，兩個無線芯片作為SPI從機，兩類芯片均采用3.3 V供電，在保證供電便利的前提下可以保證兩者間的正常通信。JTAG電路由電阻和10針插座構(gòu)成，可以與單片機仿真器進行連接，電阻值取10 kΩ。JTAG接口主要用于調(diào)試，可以對編寫好的程序進行燒制與仿真。該接口有4個引腳，TMS可用于測試模式選擇，TCK用于測試時鐘的輸入，TDI用于測試數(shù)據(jù)輸入，TDO用于測試數(shù)據(jù)輸出。

2.4 RS-485接口電路

由于采用的Profibus物理層為RS-485，因此可以采用雙絞線進行數(shù)據(jù)傳輸。該接口電路由芯片外圍電路和RTS信號控制電路構(gòu)成，接口芯片采用ADM2486，具體如圖3所示。

圖3 RS-485接口芯片外圍電路

ADM2486采用iCoupler磁隔離技術(shù)，可以實現(xiàn)較高的通信傳輸速率，不需要配置太多電子元器件，只需要RXD、TXD以及RTS就可以實現(xiàn)與總線的連接。為了更好地濾除電源高頻雜波，在電源引腳部位并聯(lián)0.1 μF退耦電容。

2.5 電源電路

ADM2486總線端采用5 V電源，其他芯片、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等采用3.3 V電源。如果供電電源不穩(wěn)定，則無法保證通信模塊的可靠性，需要對電源進行隔離處理，避免電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的不穩(wěn)定性。電芯管理芯片采用IB2405LD，可以實現(xiàn)24 V/5 V的轉(zhuǎn)換。

3 Profibus無線通信模塊的軟件設計

3.1 單片機初始化

ATmega162單片機運行時需要對I/O端口、SPI接口進行初始化，該單片機采用方向寄存器、數(shù)據(jù)寄存器以及輸入引腳寄存器進行I/O接口控制。SPI有控制寄存器、狀態(tài)寄存器以及數(shù)據(jù)寄存器，其中控制寄存器用于選取接口工作模式，狀態(tài)寄存器向SPI主機發(fā)送接口狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)寄存器用于SPI移位和與其他寄存器進行數(shù)據(jù)交互。

3.2 無線芯片初始化

CC1101芯片通過專用軟件進行配置，可以實現(xiàn)對寄存器的設定與性能評測。無線芯片具有12個狀態(tài)寄存器、14個命令濾波寄存器以及47個配置寄存器，對命令濾波寄存器進行訪問時會導致內(nèi)部狀態(tài)出現(xiàn)變化。配置寄存器多用于程序測試，對無線芯片進行正常操作時不對上述寄存器進行讀寫。狀態(tài)寄存器為只讀模式，可以讀取無線芯片的狀態(tài)信息。如果對無線芯片進行重啟，則會使所有寄存器都還原到默認值。

配置寄存器可以用于設置數(shù)據(jù)長度、接收發(fā)模式或波特率參數(shù)等，對通用I/O接口進行配置時，為了盡可能降低數(shù)據(jù)傳輸帶來的延遲，使無線芯片工作在異步串行模式下，通過SPI接口對芯片進行配置，利用GDO0、GDO2構(gòu)建通用I/O來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。將GDO0用于串行數(shù)據(jù)輸入、輸出端，如果芯片工作于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)時，該引腳可作為串行數(shù)據(jù)輸入端；而如果芯片工作于接收狀態(tài)，該引腳作為串行數(shù)據(jù)輸出端，對應寄存器可以配置為0X0D。為降低管腳對芯片帶來的干擾，降低芯片運行功耗，可將該引腳對應寄存器設置為0x2E。

利用寄存器MDMCFG3、MDMCFG4中狀態(tài)位來設置無線芯片通信速率，傳輸速率與傳輸時間為反比例關(guān)系，將MDMCFG3、MDMCFG4狀態(tài)位分別設置為0xD9、0x8C，可使無線數(shù)據(jù)傳輸速率達到187.5 kb/s。通過對FREQ0、FREQ1、FREQ2的狀態(tài)位賦值來確定運行頻率，將上述3個寄存器狀態(tài)位設置為0x10、0xA7、0x62。

4 通信系統(tǒng)配置

將西門子CPU315-2DP作為Profibus通信主站，通過MPI電纜與PC機進行通信。Profibus-DP無法與PIC單片機（該芯片用于控制車輛搬運器執(zhí)行機構(gòu)動作）進行直接通信，可采用協(xié)議總線橋?qū)崿F(xiàn)Profibus-DP和Modbus的轉(zhuǎn)換。PIC單片機作為從站，應用RS-485通信接口，實現(xiàn)點對多點的通信，可以適應立體車庫復雜的電磁環(huán)境。ADM2483為增強型RS-485收發(fā)器，可以實現(xiàn)500 kb/s傳輸速率和對RS-485接口進行隔離，性能要好于光耦隔離方式的串行通信線路。同時，PIC單片機TX/RX端口輸出信號為TTL電平，信號傳輸距離較遠，采用ADM2483芯片可以共同建立起RS485通信接口電路。

5 結(jié) 論

綜上所述，將Profibus無線通信技術(shù)應用于車輛搬運器可以采用無線中繼法，將CC1101作為核心元件來建立無線通信模塊，并進行了模塊的硬件、軟件設計。將Profibus通信模塊用于PLC控制器與PIC單片機中，可以滿足車輛搬運器控制與無線通信的需求。