馬常松 王雪梅 許麗萍

摘 要：色選機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速布局，也可將多臺(tái)色選機(jī)組網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)采用高速低功耗的nRF24L01作為無線收發(fā)器，采用LPC1768作為微處理器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的高速傳輸。該文詳細(xì)論述了無線單元的組成結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)色選機(jī)功能系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)無線傳輸協(xié)議架構(gòu)，并進(jìn)行了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能良好，實(shí)用性較強(qiáng)，降低了因線路問題引發(fā)色選機(jī)故障的概率，進(jìn)一步提高了色選機(jī)的智能化。

關(guān)鍵詞：無線數(shù)據(jù)傳輸 nRF24L01 無線單元 傳輸協(xié)議

中圖分類號(hào)：TN919.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（b）-0059-04

Abstract：Wireless data transmission system of color sorter can help assemble quickly and connect sorters to be a net and realize management together.The system adopts low power wireless digital transmission chip—nRF24L01，and LPC1768 as microprocessor to do high speed data transmission between systems.This paper introduces structure and hardware design of wireless unit.According to sorter functions demands，designs protocol structure and software of wireless data transmission.Through experiment testing，the wireless data transmission system running stable and reliable.It has high practicability and reduces line fault probability of sorter.It helps improve intelligent of color sorter.

Key Words：Wireless data transmission；nRF24L01；Wireless unit；Transmission protocol

色選機(jī)由多個(gè)功能系統(tǒng)構(gòu)成，通過人機(jī)界面的控制系統(tǒng)輸入各種指令實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間協(xié)調(diào)工作。各系統(tǒng)分布在色選機(jī)不同位置，控制系統(tǒng)與其它系統(tǒng)間通過數(shù)據(jù)線連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)線多次往返長(zhǎng)度過長(zhǎng)，同時(shí)不可避免要與電源線并行，數(shù)據(jù)信號(hào)會(huì)受到影響。當(dāng)出現(xiàn)線路問題時(shí)不易查找問題源，工作環(huán)境較惡劣會(huì)出現(xiàn)線路老化現(xiàn)象。在一些規(guī)模較大的應(yīng)用場(chǎng)所，會(huì)同時(shí)使用多臺(tái)色選機(jī)組成一整條生產(chǎn)線工作，每臺(tái)色選機(jī)配備一套控制系統(tǒng)，這就需要配備多名操作人員實(shí)時(shí)在色選機(jī)周圍進(jìn)行維護(hù)，對(duì)于用戶來說成本較高且不便于操作人員的統(tǒng)一管理。

采用無線方式進(jìn)行短距離通信是當(dāng)前的熱點(diǎn)，無線數(shù)據(jù)通信不用布線，可實(shí)現(xiàn)快速布局?；趎RF2401的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)色選機(jī)不同系統(tǒng)間協(xié)調(diào)工作，也可將多臺(tái)色選機(jī)組網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，具有有線數(shù)據(jù)傳輸無法比擬的便捷性。

1 色選機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

色選機(jī)的主要功能系統(tǒng)按分布位置主要分為：控制系統(tǒng)、前檢測(cè)處理系統(tǒng)、后檢測(cè)處理系統(tǒng)、剔除系統(tǒng)、其它系統(tǒng)（包括喂料、照明和輔助控制系統(tǒng)）。處在不同位置或空間的功能系統(tǒng)之間是需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為此設(shè)計(jì)了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧獰o線單元，主要由MCU和無線傳輸芯片組成。每個(gè)功能系統(tǒng)配備一個(gè)無線單元，通過無線單元實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸（圖1）。

2 無線單元硬件設(shè)計(jì)

無線單元中無線傳輸芯片采用NORDIC公司的nRF24L01，其工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段?？赏ㄟ^SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達(dá)10 Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸率最快可達(dá)2 Mb/s，并且有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能。無線傳輸芯片采用發(fā)送和接收兩種工作模式，根據(jù)MCU發(fā)送的配置字在發(fā)送模式和接收模式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。nRF24L01啟用6個(gè)通訊信道，每個(gè)信道可分別設(shè)置地址。兩個(gè)無線傳輸芯片通過對(duì)相同信道設(shè)置為相同地址，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。nRF24L01芯片及其外圍電路如圖2所示。

MCU采用NXP公司的LPC1768控制器，其操作頻率可達(dá)100 MHz，LPC1768微控制器的外設(shè)組件包含高達(dá)512 kB的flash存儲(chǔ)器、64 kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4個(gè)UART、2個(gè)SPI接口。由于LPC1768在無線單元中起到中轉(zhuǎn)站或翻譯機(jī)的作用，通過1路串口與色選機(jī)功能系統(tǒng)直接相連，接收指令和數(shù)據(jù)。通過SPI與無線傳輸芯片連接，向無線傳輸芯片發(fā)送設(shè)置指令和數(shù)據(jù)。撥碼盤是為了區(qū)分與不同系統(tǒng)相連的無線單元，MCU對(duì)撥碼盤數(shù)值進(jìn)行讀取，根據(jù)不同數(shù)值設(shè)定無線傳輸芯片啟用不同信道并設(shè)置信道地址。

nRF24L01與LPC1768的連接電路原理圖如圖3所示。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議架構(gòu)

nRF24L01只有6路數(shù)據(jù)通道，單臺(tái)色選機(jī)有5個(gè)功能系統(tǒng)，nRF24L01的6路數(shù)據(jù)通道可滿足數(shù)據(jù)傳輸需要。但有時(shí)一條生產(chǎn)線配備至少2臺(tái)以上的色選機(jī)，功能系統(tǒng)總數(shù)量便會(huì)超過nRF24L01的數(shù)據(jù)通道數(shù)，為此設(shè)計(jì)了以下的無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議架構(gòu)。

在無線單元上設(shè)置兩套四位撥碼盤，撥碼盤1可實(shí)現(xiàn)對(duì)16個(gè)設(shè)備的識(shí)別，如表1所示，撥碼0000指定為控制系統(tǒng)，其它撥碼對(duì)應(yīng)色選機(jī)設(shè)備。撥碼盤2可實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)功能系統(tǒng)的識(shí)別，表2為色選機(jī)設(shè)備對(duì)應(yīng)的各系統(tǒng)編碼。

無線傳輸芯片有6路不同通訊信道，每一路通訊信道使用不同的地址（如表3所示，地址可自行設(shè)置），只有兩個(gè)無線傳輸芯片的相同信道設(shè)置為相同地址才能正確的通過該信道傳輸數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)的nRF24L01啟用全部6路通訊信道，可接收其它功能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，其它功能系統(tǒng)根據(jù)通訊對(duì)象啟用對(duì)應(yīng)的信道。

不同色選機(jī)的相同功能系統(tǒng)信道地址是相同的，為了區(qū)分不同色選機(jī)的相同功能系統(tǒng)，將無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包按表4格式進(jìn)行傳輸。通過識(shí)別數(shù)據(jù)包中目的設(shè)備識(shí)別碼，來判斷數(shù)據(jù)是否應(yīng)該接收。

4 無線數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的無線單元上電后進(jìn)行初始化，主要包括：LPC1768的初始化、讀取撥碼盤編碼設(shè)置無線傳輸芯片信道和地址。初始化后在無操作時(shí)控制系統(tǒng)的無線單元一直處于接收模式，控制系統(tǒng)將相關(guān)操作指令通過無線單元發(fā)到其它功能系統(tǒng)。當(dāng)無線單元的LPC1768接到指令后，將無線傳輸芯片配置為發(fā)送模式。根據(jù)目標(biāo)功能系統(tǒng)選擇信道，并將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按表4的數(shù)據(jù)包格式打包，通過特定的信道發(fā)送出去。發(fā)送完成后自動(dòng)切換回接收模式，等待接收應(yīng)答指令。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到返回指令則重發(fā)，超過規(guī)定的重發(fā)次數(shù)后即報(bào)錯(cuò)（圖4）。

4.2 其他功能系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

其他功能系統(tǒng)無線單元上電后進(jìn)行初始化，完成LPC1768初始化和信道地址的設(shè)置。在無操作時(shí)一直處于接收模式，不同設(shè)備間的相同功能系統(tǒng)開啟相同的信道號(hào)和相同的地址。當(dāng)該信道接收到數(shù)據(jù)時(shí)要根據(jù)目的設(shè)備識(shí)別碼來判斷是否是屬于自己，最終只有目的設(shè)備識(shí)別碼匹配正確的功能系統(tǒng)才能接收完整數(shù)據(jù)。接受完數(shù)據(jù)后LPC1768將數(shù)據(jù)解析并發(fā)給功能系統(tǒng)進(jìn)行處理，同時(shí)配置為發(fā)送模式，向控制系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答命令（圖5）。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

色選機(jī)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸主要有兩路：控制系統(tǒng)與各功能系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸；前、后檢測(cè)處理系統(tǒng)與剔除系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸。從空間布局上，控制系統(tǒng)與前檢測(cè)處理系統(tǒng)在同一空間位置，后檢測(cè)處理系統(tǒng)、剔除系統(tǒng)和其它系統(tǒng)分別各在一空間位置，其中控制系統(tǒng)與剔除系統(tǒng)位置相隔最遠(yuǎn)。前（后）檢測(cè)處理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸量最大，大約在2 000字節(jié)。

無線通信需要解決的最大問題是保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，即要求誤碼率低。誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)。誤碼率=錯(cuò)誤碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù)（100%）。因此分別測(cè)試控制系統(tǒng)與各功能系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率和丟包率。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示色選機(jī)各功能系統(tǒng)采用無線通信的方式并未影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，很好的保證了系統(tǒng)間穩(wěn)定可靠的通訊（表5）。

6 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)了色選機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)可幫助快速布局，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)色選機(jī)聯(lián)網(wǎng)的操作管理。該文詳細(xì)論述了無線傳輸單元的結(jié)構(gòu)及無線傳輸協(xié)議架構(gòu)，依次進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能良好，實(shí)用性較強(qiáng)，降低了因線路問題引發(fā)色選機(jī)故障的概率，進(jìn)一步提高了色選機(jī)的智能化。

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