連 賽 史先傳 陳煒俊 杭云龍

(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

電梯平衡鏈冷定型盤(pán)繞設(shè)備無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)①

連 賽 史先傳 陳煒俊 杭云龍

(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

針對(duì)電梯平衡鏈盤(pán)繞設(shè)備上的高度傳感器與主控PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，提出了主從兩片STM32單片機(jī)之間基于NRF24L01無(wú)線(xiàn)通信，從單片機(jī)與PLC基于Modbus協(xié)議采用RS-232接口串口通信的方案。設(shè)計(jì)了主從STM32單片機(jī)系統(tǒng)和硬件電路，給出了PLC主站和從站STM32相關(guān)的軟件參數(shù)配置。測(cè)試結(jié)果表明：該方案實(shí)現(xiàn)了傳感器與PLC之間的短距離實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，提高了電梯平衡鏈盤(pán)繞設(shè)備的自動(dòng)化程度。

數(shù)據(jù)采集 NRF24L01 STM32 PLC Modbus

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)電梯平衡鏈的冷卻定型主要是采用人工盤(pán)繞的方式，成熟的電梯平衡鏈盤(pán)繞設(shè)備相對(duì)較少。在已投入生產(chǎn)運(yùn)行的電梯平衡鏈冷定型盤(pán)繞設(shè)備[1]中，因?yàn)椴捎闷矫娑汛a方式的鏈條在重力的作用下會(huì)向下滑落，并且鏈條在換層處高度也會(huì)發(fā)生變化 ，而平衡鏈盤(pán)繞設(shè)備上間歇性旋轉(zhuǎn)的盤(pán)繞裝置[2]正常運(yùn)行需要與最上面一層鏈條保持在一定高度范圍內(nèi)，這就造成了該設(shè)備運(yùn)行中需要人工停機(jī)調(diào)整盤(pán)繞裝置的高度。

傳統(tǒng)的方法是使用電刷和電纜的組合將盤(pán)繞裝置上的超聲波測(cè)距等傳感器數(shù)據(jù)傳送給核心控制單元PLC來(lái)補(bǔ)償盤(pán)繞裝置逐層盤(pán)繞所需的高度，這樣會(huì)大幅增加盤(pán)繞裝置的重量。筆者基于電梯平衡鏈盤(pán)繞設(shè)備，設(shè)計(jì)了一種主從兩片STM32單片機(jī)之間采用NRF24L01無(wú)線(xiàn)通信，從單片機(jī)與PLC基于Modbus協(xié)議采用RS-232接口串口通信方案。相較于傳統(tǒng)的PLC與傳感器之間的有線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[3，4]，這種通信方式具備以下優(yōu)點(diǎn)：首先利用STM32單片機(jī)信息處理速度快的特點(diǎn)，提高了PLC控制的實(shí)時(shí)性；其次不受線(xiàn)纜的限制，傳感器安裝不受空間位置的約束。

1 整體設(shè)計(jì)方案

整體控制方案采用三菱FX3U系列PLC作為控制執(zhí)行核心，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯平衡鏈盤(pán)繞的控制，如盤(pán)繞裝置運(yùn)動(dòng)軌跡的控制、鏈條下放動(dòng)作的控制、接收鏈條高度傳感器的數(shù)據(jù)及盤(pán)繞裝置的z軸方向上的調(diào)節(jié)等。數(shù)據(jù)采集處理傳輸部分的方案采用主從兩片STM32單片機(jī)，從單片機(jī)采用Modnus協(xié)議通過(guò)RS-232接口與PLC的通信模塊相連，其中PLC作為Modbus從站，從單片機(jī)作為Modbus主站。主單片機(jī)與傳感器相連，主單片機(jī)將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)NRF24L01無(wú)線(xiàn)發(fā)送給從單片機(jī)，從而將超聲波測(cè)距傳感器和光電開(kāi)關(guān)傳感器采集的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸給核心控制單元PLC[5，6],主單片機(jī)需要從PLC中讀取Pt100模塊的數(shù)據(jù)，從而對(duì)超聲波測(cè)距進(jìn)行溫度補(bǔ)償,以提高測(cè)量精度。數(shù)據(jù)處理傳輸部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)選用的是STM32單片機(jī)。STM32系列是由STMicroelectronics(意法半導(dǎo)體集團(tuán))基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核控制器。其中STM32F101c8t6的工作頻率高達(dá)36MHz，配備有豐富的外設(shè)和通信接口，如128KB的Flash、一個(gè)12位的ADC、3個(gè)16位通用定時(shí)器、3個(gè)UART接口、兩個(gè)I2Cs及一個(gè)SPI接口等。其中SPI接口硬件連接NRF24L01，進(jìn)行SPI通信。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)選用Nordic公司研發(fā)的NRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。NRF24L01是一款工作頻段在2.4～2.5GHz之間的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片。其中輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的配置通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置，能夠自動(dòng)重發(fā)，數(shù)據(jù)傳輸通道共6個(gè)，無(wú)線(xiàn)傳輸速率高達(dá)2Mbit/s。在沒(méi)有功放的條件下傳輸距離約為30m，在規(guī)定距離范圍內(nèi)通信穩(wěn)定。

2 數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件由主/從單片機(jī)通過(guò)NRF24L01實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從單片機(jī)基于Modbus協(xié)議通過(guò)RS-232接口與 PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

由于STM32的USART和RS-232接口的電平不同，互不相容，因此需要對(duì)電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。MAX232是美信集團(tuán)為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的單一電源用于電平轉(zhuǎn)換的芯片，從而實(shí)現(xiàn)TTL/COMS電平與和EIA電平的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)與PLC通信，其電路原理如圖2所示。

圖2 STM32串口電平轉(zhuǎn)換電

STM32單片機(jī)通過(guò)自帶的SPI通信接口與NRF24L01通信模塊相連，穩(wěn)定可靠。圖3 給出了STM32與NRF24L01的相應(yīng)端口的電路連接圖[7]。

圖3 NRF24L01電路連接

3 軟件參數(shù)的配置

3.1 PLC的參數(shù)設(shè)置

FX系列的三菱PLC與外部設(shè)備采用RS-232串口通信，通過(guò)GX Works2軟件的參數(shù)對(duì)外部設(shè)備的傳送規(guī)格、通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)使用通信協(xié)議時(shí)，主站PLC和從站STM32的USART參數(shù)配置要保持一致，其串口波特率設(shè)為9 600Baud，數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，一個(gè)停止位。

3.2 STM32單片機(jī)的Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議串行傳輸模式有兩種：RTU和ASCII模式。本方案采用傳輸效率更高的RTU模式，在相同波特率的情況下該模式傳輸?shù)淖址芏雀哂贏SCII模式。在RTU模式中，一個(gè)信息(字符幀)每個(gè)字節(jié)分成兩個(gè)十六進(jìn)制字符表示，其Modbus報(bào)文構(gòu)成見(jiàn)表1[8]。

表1 Modbus報(bào)文構(gòu)成

常用的4種功能碼見(jiàn)表2。本系統(tǒng)需要從STM32向PLC傳輸盤(pán)繞裝置上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)量和測(cè)距傳感器的數(shù)值并讀取PLC中PT100模塊的溫度數(shù)據(jù)，因此需要使用03、05、06這3個(gè)功能碼。對(duì)Modbus協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化，規(guī)定數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度均為4個(gè)字節(jié),依次為地址高8位、地址低8位、內(nèi)容高8位、內(nèi)容低8位。再加上地址域、功能碼域和CRC16域，報(bào)文總長(zhǎng)度為8Byte。由于報(bào)文的總長(zhǎng)度固定，所以標(biāo)準(zhǔn)RTU模式的3.5個(gè)字符幀間間隔固定，從站Modbus驅(qū)動(dòng)的接收模塊避免了對(duì)幀間間隔時(shí)間進(jìn)行判斷并重新配置，節(jié)約了STM32的內(nèi)部資源[9]。

表2 Modbus常用功能碼

STM32的Modbus協(xié)議驅(qū)動(dòng)主要由3部分構(gòu)成：串口的初始化程序塊、RS-232總線(xiàn)數(shù)據(jù)的采集程序塊和Modbus報(bào)文的處理應(yīng)答程序塊。串口初始化程序塊除需要對(duì)USART參數(shù)配置外，還需要通過(guò)相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)使能USART中斷，在“USART_IRQHandler(void)”中斷服務(wù)函數(shù)中對(duì)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和處理。

STM32串口通信流程如圖4所示。STM32的USART使能RXNE和失能TXE，默認(rèn)為接收狀態(tài)。數(shù)據(jù)總線(xiàn)空閑狀態(tài)為高電平，數(shù)據(jù)接收器檢測(cè)下降沿時(shí)，移位寄存器將接收全部的字符幀，并且去掉其中的起始位和停止位再送入RDR(Receive Data Register)，同時(shí)RxNE(Receive Data Register is not empty)標(biāo)志位硬件置1，STM32進(jìn)入串口中斷服務(wù)函數(shù)迅速地將RDR里的數(shù)據(jù)讀入到Modbus相應(yīng)的報(bào)文接收數(shù)組RXBuffer[i]里，然后軟件清除RxNE標(biāo)志位并退出本次中斷，直到填充滿(mǎn)報(bào)文后，RxFinish被軟件置1，變量i清零。RxFinish標(biāo)志位沒(méi)有被清零的情況下，總線(xiàn)上傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)無(wú)法移入到RDR中。在主程序循環(huán)中，一旦發(fā)現(xiàn)RxFinish標(biāo)志軟件置1，就會(huì)進(jìn)入Modbus報(bào)文處理應(yīng)答程序塊。

圖4 STM32串口通信流程

在Modbus報(bào)文處理應(yīng)答程序模塊中，首先檢測(cè)報(bào)文接收的第1個(gè)數(shù)據(jù)，若從站號(hào)不正確，則舍棄本報(bào)文，清零RxFinish標(biāo)志位，RDR重新接收總線(xiàn)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)。如果從站號(hào)正確則進(jìn)行CRC校驗(yàn)，通過(guò)CRC校驗(yàn)后，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即根據(jù)不同的功能碼來(lái)填充Modbus應(yīng)答報(bào)文TxBuffer[i]，并使能TXE(Transmit Register Enable)發(fā)送中斷和軟件清零RxFinish標(biāo)志位。當(dāng)TXE使能后，STM32立即進(jìn)入串口中斷服務(wù)函數(shù)，把TxBuffer[i]里的元素送入到TDR(Transmit Data Register)，發(fā)送移位寄存器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總線(xiàn)上，結(jié)束本次中斷。直到應(yīng)答報(bào)文發(fā)送完為止，失能TXE發(fā)送中斷，并清零變量i和RxFinish標(biāo)志位，串口接收器重新接收數(shù)據(jù)。當(dāng)CRC校驗(yàn)不通過(guò)和或者功能碼錯(cuò)誤，則進(jìn)入超時(shí)延時(shí)，然后清零RxFinish標(biāo)志位，RDR重新接收Modbus報(bào)文。

3.3 NRF24L01的相關(guān)設(shè)置

NRF24L01通過(guò)SPI協(xié)議向其內(nèi)部寄存器寫(xiě)配置參數(shù)來(lái)配置其工作模式、通信速率、數(shù)據(jù)寬度及自動(dòng)應(yīng)答等。本系統(tǒng)采用NRF24L01的Enhanced ShockBurst模式，數(shù)據(jù)傳輸更加可靠。發(fā)送方要求中斷發(fā)送設(shè)備在接收數(shù)據(jù)后應(yīng)答信號(hào)，以便檢查發(fā)送方是否有數(shù)據(jù)丟失。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，則通過(guò)重新發(fā)送功能發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)。該模式同時(shí)控制應(yīng)答和重發(fā)功能，從而減少了STM32的工作量。其中主STM32作為無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收端， NRF24L01對(duì)應(yīng)的配置代碼如下：

SPI_Nrf_WriteBuffer(Nrf_WRITE_REG+RX_ADDR_P0,RX_ADDR,RX_ADR_Width);

/*指定RX的節(jié)點(diǎn)位置，選用接收通道0*/

SPI_Nrf_WriteRegister(Nrf_WRITE_REG+EN_AA,0x01;

/*使能第0通道的自動(dòng)應(yīng)答*/

SPI_Nrf_WriteRegister(Nrf_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);

/*使能第0通道接收地址*/

SPI_Nrf_WriteRegister(Nrf_WRITE_REG+RF_CH,CHANAL);

/*寫(xiě)RF通信頻率*/

SPI_Nrf_WriteRegister(Nrf_WRITE_REG+RX_PW_P0，RX_Pload_Width);

/*選擇第0通道的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度*/

SPI_Nrf_WriteRegister(Nrf_WRITE_REG+RF_SETU P,0x0f);

/*選用RF參數(shù)為0db,2Mbps，使能低噪聲增益*/

SPI_Nrf_WriteRegister(Nrf_WRITE_REG+CONFIG, 0x0f);

/*選用工作模式：POWER_UP,EN_CRC和16BIT_CRC，設(shè)置接收模式*/

4 通信測(cè)試

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸情況，編寫(xiě)了一組驗(yàn)證程序，在PLC相連的觸摸屏上添加一個(gè)窗口以顯示距離數(shù)據(jù)。和主STM32相連的高度傳感器與障礙物的起始距離為20cm，然后改變兩者之間的距離。

PLC觸摸屏上窗口顯示數(shù)據(jù)隨著距離的改變而變化，距離數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。通信測(cè)試結(jié)果表明傳感器與PLC之間短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸正常，具有良好的實(shí)時(shí)性。其中一組PLC發(fā)送的查詢(xún)報(bào)文見(jiàn)表3，檢測(cè)出從單片機(jī)應(yīng)答的報(bào)文見(jiàn)表4，此時(shí)高度傳感器與障礙物距離為30cm。

表3 PLC查詢(xún)報(bào)文

表4 STM32應(yīng)答報(bào)文

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電梯平衡鏈冷定型盤(pán)繞設(shè)備對(duì)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，設(shè)計(jì)了基于主從兩個(gè)STM32單片機(jī)和NRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了空間布線(xiàn)的局限，主STM32可以直接將傳感器采集的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理后快速地?zé)o線(xiàn)傳輸給從STM32，從STM32通過(guò)RS-232接口再傳輸給核心控制單元PLC，對(duì)PLC與高精度傳感器之間高速實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸具有指導(dǎo)意義。

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DesignandImplementationofWirelessDataAcquisitionSystemforCoilingDeviceofElevatorBalancingChain

LIAN Sai, SHI Xian-chuan, CHEN Wei-jun, HANG Yun-long
(SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity)

Considering data transmission between coiling device’s height sensor and PLC of the elevator balancing chain, having communication between master and slave STM32 SCMs realized through NRF24L01 chip and having Modbus protocol and RS-232 bus based to implement interface serial communication between PLC and STM32 SCM were implemented, including the design of master and slave STM 32 SCM’s hardware circuits. The parameter configuration of PLC and STM32 SCMs was presented and tested to carry out short-distance and real-time wireless data transmission between the height sensor and the PLC so as to improve the degree of automation of the elevator balance chain’s coiling device.

data acquisition, NRF24L01 chip, STM32, PLC, Modbus

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NSFC51335002)。

連賽(1990-)，碩士研究生，從事機(jī)械電子的研究，445750479@qq.com。

TH865

A

1000-3932(2017)12-1159-05

2017-08-03，

2017-11-01)

(Continued from Page 1138)

assembly to realize the purpose of mixed programming; and through making use the unique advantages of the two languages in software development, reducing difficulties in data processing algorithm development and greatly improving the quality of software were implemented. The software can realize COMTRADE record file parsing and management, monitoring information management, voltage/current analysis and visualization of processing results.

Keywordsmixed programming, power distribution network, line-broken monitoring, data processing algorithm, fault recorder