（测试计量技术及仪器专业论文）无线控制与远程诊断系统在压缩式清运车上的应用.pdf

摘要 随着社会和经济的发展，人民生活水平的提高，日常所产生的生活垃圾是越来越 多。为了解决垃圾和清运之间的矛盾，实现垃圾清运的自动化、智能化，本次毕业设 计研究了一种无线控制与远程诊断系统，将其应用于压缩式清运车上，可实现压缩式 清运车的智能化，降低工人的劳动强度。 本次设计研究的无线控制与远程诊断系统其优势是，通过无线遥控可以使工人远 离恶劣的工作现场工作，同时通过p l c 对动作进行控制，使得以前需要人工多次精心 操作完成的工作过程，现在只需通过控制器进行简单、轻松操作即可完成。此外，远 程诊断系统可使压缩式清运车在工作过程中出现问题后能够远程分析诊断，不需要将 车辆开回总部检修，节约了维修费用，同时也提高了工作效率。 关键词：无线控制远程诊断智能化 a b s t r a c t a l o n gw i t hs o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s t h e v o l u m eo fl i v i n gg a r b a g ei si n c r e a s i n g i no r d e rt oc h a n g et h i ss i t u a t i o n ，t h i sp a p e rf i n da w i r e l e s sr e m o t ec o n t r o la n dd i a g n o s t i cs y s t e mw h i c hw i l lb ea p p l i e dt ot h ec o m p r e s s i o n r e m o v a lv e h i c l e s t h ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yw i l ls o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n g a r b a g ea n dr e m o v a l t h ea i mo ft h i sp a p e ri s t oa c h i e v ec o m p r e s s i o ns t y l ei n t e l l i g e n t v e h i c l e sa n dr e d u c el a b o ri n t e n s i t y t h ea d v a n t a g eo ft h ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r o la n dd i a g n o s t i cs y s t e m sf o rt h i sp a p e ri s t h a tt h i st e c h n o l o g yc o u l di m p r o v ep e r f o r m a n c eo fc o m p r e s s i o nr e m o v a lv e h i c l e sa n dr e d u c e l a b o rc o s t s w i r e l e s sr e m o t ec o n t r o la l l o w st h a tt h ew o r k e rc o u l df i n i s ht h e i rc l e a n i n gw o r k a w a yf r o mt h eb a de n v i r o n m e n ta tt h es c e n e a tt h es a m et i m e 。t h r o u g ht h ea c t i o no ft h e p l cc o n t r 0 1 t h ew o r k e rc o u l df i n i s ht h e i rw o r kb yt h es i m p l eo p e r a t i o nc o m p a r i n gw i t h p r e v i o u s l yh a r dw o r k i na d d i t i o n t h er e m o t ed i a g n o s i ss y s t e mw i l le n a b l et od e a lw i t h p r o b l e mf o rt h ec o m p r e s s i o nr e m o v a lv e h i c l e sa tt h es c e n e t h u s s a v i n gt h ec o s ta n d m a i n t e n a n c ec o s t s a tt h es a m et i m ea l s oi n c r e a s e dt h ee 贩c i e n c y k e y w o r d s ：w i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ld i a g n o s t i cs y s t e m si n t e l l i g e n c e 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，无线控制与远程诊断系统在压缩 式清运车上的应用是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本义的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名 珥年三月尘同 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 指导导师签名： 珥趁月互同 1 1 概述 第一章绪论帚一早珀 t 匕 随着社会和经济的发展，人民生活水平的不断提高，生活所产生的生活垃圾 是越来越多。如果还是采用传统的固定垃圾回收站，既不能使垃圾及时的回收再 利用，同时也会对回收站点周围的环境造成很大的影响。 为了改变这一现状，同时也是为了配合国家建设环保型社会，和谐社会，解 决生活垃圾和清运之间的矛盾，实现垃圾清运的自动化、智能化。本次毕业设计 研究了一种无线控制与远程诊断系统，将其应用于压缩式清运车上。其目的就是 为了实现压缩式清运车的智能化，提高工作效率，降低工人的劳动强度。随着城 市化进程的加快和城市生活垃圾的增多，人们的环保意识也在不断增强，这些都 将推动压缩式清运车大面积使用。而压缩式清运车的智能化是提高其技术性能， 降低人工成本的关键因素。 本次设计研究的无线控制与远程诊断系统其优势就在于可以提高技术性能， 降低人工成本。通过无线遥控可以使工人远离恶劣的工作现场进行清洁工作。同 时通过p l c 对动作进行控制，使得以前需要人工多次精心操作完成的工作过程， 现在只需通过控制器进行简单、轻松操作即可。此外，远程诊断系统可使压缩式 清运车在工作过程中出现问题后能够远程分析诊断，提出诊断意见，指令现场排 除，不需要将车辆开回总部检修，从而节约了维修费用和成本，同时也提高了工 作效率。结合本次项目的实际情况，远程诊断具有更重要的意义。由于这次设计 的压缩式清运车准备出1 2 1 东南亚等国家，当车的控制系统出现一般性的故障问题 时将国内的维修工程师派到现场去检修成本是巨大的，通过手机和遥控终端进行 远程诊断是十分经济的一个做法，节省了大量的时间。城市对压缩式清运车的需 求越来越大，环境保护意识的不断增强，这些都将推动智能化压缩清运车的使用。 所以本次毕业设计所选择的设计课题，具有研究的必要性和前瞻性，可以改 变我国目前压缩式清运车的工作方式，有很好的市场前景。无线控制与远程诊断 系统其智能化技术不仅仅可以应用于压缩式清运车，还可以方便的移植到其它需 要智能和远程诊断的对象上。 1 2 压缩式清运车结构介绍 压缩式清运车一般主要由汽车底盘、车箱、填塞( 料) 器、液压系统、气控系 统和电气自动控制系统组成( 图l - 1 ) 。 图卜1 压缩式清运车结构介绍 国内，几乎所有的压缩式清运车都是采用定型的载货汽车底盘进行改装，如 东风牌、解放牌底盘等。国外，超过9 0 的垃圾车也是使用传统柴油引擎驱动的 定型卡车底盘改装的。车箱设计为框架式钢结构。顶板和左右侧板均用槽钢型加 强筋加强。采用液压系统助力的装卸机构，双向循环压缩。一般具有手动和自动 两个操作系统，并采用液压锁定密封技术，保证操作安全和避免装运垃圾过程中 漏水。有的还装有后监视器，油门加速器等。 1 3 国内外研究现状及主要研究内容 1 3 1 国内研究现状 现在国内一些专业生产压缩式清运车的厂家f 在消化吸收国外的技术，研究 如何尽快达到和赶上国外先进国家的技术水平。这些专业生产企业都看到了压缩 清运车智能化的潜在商机。目前如何解决压缩式清运车的无线遥控和远程诊断实 现自动运行已成为该类产品的发展主流。所以智能化压缩清运车的市场是显而易 见的。目前，国内以青海新路为代表的一批压缩清运车研发和生产企业通过与外 国相关厂商( 如美国n e ww a y ，德国f a u n ，芬兰m u l t i l i f t 等) 在资本和 技术方面的合作。通过高薪聘请有行业的顶级工程师，派国内的技术工程师去国 外学习等方式，正在缩小与国外公司在技术方面的差距。虽然核心技术并没有完 全被掌握，但是相比欧美，中国拥有巨大的压缩式清运车市场，可以遇见在不久 的将来中国的压缩清运车产业一定会赶上并超越欧美等国。 2 1 3 2 国外研究现状 国外在压缩式清运车控制系统方面较国内还是有明显的优势。荷兰环保处理 集团推出了多功能垃圾垂直压缩中转站系统。该系统依靠垃圾自重及自上而下的 压实使压实器内垃圾密度增加，从而节约了能耗；压实器和容器之间只有定位机 构，不需要锁紧机构，当容器内装满垃圾后，垃圾被压缩时产生的渗沥水流到容 器底部而不会流到容器外；中转站同处理规模可从几十吨到几千吨，投资与运行 成本都比较低。这项技术在欧洲、南美洲、大洋洲都有成功的运用并已进入国内 市场。芬兰百特科货运装卸技术有限公司在固体垃圾收集与转运设备中显示了强 劲的实力，生产的马提力( m u l t i l i f t ) 整体自装卸液压钩( 拉臂车) 已经进入中国 市场，其良好的安全系统、超重的装卸能力( 最大可达到4 0 t ) 、优质的高强度耐 磨钢材、快速的作业获得用户的一致好评；生产的黑亚波( h i a b ) 随车起重机结构 紧凑，可折叠在卡车上，自重轻、全液压动力。德国的fa un 公司最近推出的 v a i r o p r e s s ，r o t o p r e s s ，p o w e r p r e s s 等系列的压缩式清运车，都不约而同 地用到了无线遥控和远程诊断的系统。同时也有采用基于d s p ，a r m ，m c u 等高级芯 片做为控制核心。 1 4 论文主要研究内容 压缩式清运车控制系统的无线遥控和远程诊断系统的软硬件设计。 1 4 1 控制部分 控制部分由p l c 的控制，单片机的数据传输接口和无线遥控终端组成。p l c 主要对压缩器，滑板，翻斗，液压锁，填塞器，推板进行控制。采用t i 公司的 m s c l 2 1 y 5 做成一个标准的接口，使无线遥控终端和p l c 之间可以进行准双工 的通信。p l c 接受遥控终端的指令实现相应的控制动作，同时将反馈信号通过标 准接口回送给遥控终端，遥控终端对反馈的数掘进行分析处理。 1 4 2 诊断部分 诊断部分主要是由手机发收模块，手机和软件设计部分组成。手机通过短信 方式，将数据发送给收发模块，收发模块再将数据传送给无线遥控终端的显示部 分，使操作员能对故障进行相应处理。同时无线遥控终端也可通过手机发收模块 将操作员的反馈信息回发给手机终端。 设计中之所以采用sim300 模块，而不直接用手机替代，是因为采用s im300 模块后可以通过编程自行定义传送的内容和热键，同时可对hmi 的 界面自行进行设计，这些都是直接使用手机所不能达到的。 1 4 3 具体研究内容 本次毕业设具体研究内容包括以下5 个方面： 1 f x 系列l n 6 0 m r 型号的p l c 对清运车各个动作的控制； 2 p l c 与控制器进行数据交换的软、硬件设计； 3 遥控器与控制器之间的无线通讯模块的设计； 4 手机与控制器连接进行数据交换的设计，同时完成远程诊断的功能； 5 辅助故障处理。 4 2 1 设计思想 第二章总体方案设计 无线遥控及远程诊断系统是集机、电、算为一体的机电一体化系统，设计时 首先要针对系统的特点和要求进行总体设计，总体设计贯彻“简单实用、操作方 便、安全可靠、技术先进 的原则，本课题结合国内外同类产品的优点，并在此 基础上力求有所突破和创新。 2 2 系统硬件设计 无线遥控及远程诊断系统是集检测、控制、执行、调节等作用于一身，具有 智能化控制、显示、诊断、保护及通讯功能的系统。它是以控制器为中心，并且 把许多功能部件组装在一起的一体化机构。整体分为控制和诊断两部分组成。前 部分包括集成控制板，遥控板和p l c 。后部分包括集成在控制板上的g p r s 模块 ( 用于远程诊断) 和监控功能。本节主要是从这两部分对设计进行介绍。 2 2 1 控制部分 本次设计的控制部分采用了先进的集成电路，集合了单片机控制灵活和p l c 控制可靠的优点，实现了友善的人机对话接1 2 1 和长距离的遥控功能。 图2 1 控制板总框图 人线， s i 黼和 一图 图2 2 控制板与s i m 3 0 0 通信总框图 控制板部分，是操作者与控制对象之间的桥梁，操作者可以通过这部分对执 行机构进行控制，并且能够监控机构的运行状况。本次设计中的人机对话接口是 在基于t i 公司的高端单片机m s c l 2 1 0 y 5 上开发的，它包括接收用户的操作信 息、显示执行机构的运行状态信息、远距离的通讯功能、长距离遥控的状态信息。 人机对话接口按信号传输方向来说可以分为输入部分和输出部分，其中人机对话 接口的输入部分：5 个按键，包括“+ ”“”“确定”“返回”“关机”按键。输出部分人机 对话接口的输出部分：1 2 8 6 4 图形点阵式液晶显示器。在项目中，液晶屏显示 中英文菜单、现场和远控情况下的运行状态信息、报警等内容，而这一切都是建 立在芯片和液晶屏之间可靠的数据通讯的基础上。由于芯片i o 口数目有限，我 们选择了串行通讯方式。我们利用m s c l 2 1 0 y 5 三个普通的i o 口分别模拟时序 图中的c s 、s c l k 、s i d 信号，实现了在点阵式液晶上中英文、滚动闪烁、图形 显示等液晶显示技术，并利用这些技术实现了交互式菜单和图文并茂的人机界 面。除了通过液晶屏向用户显示电动装置的运行信息外，我们还可通过清运车的 h m i 来监测电动装置的运行信息。 人机对话接口把设定的参数值、检测的按键动作( 消抖处理后) 通过r s 4 8 5 方式发送给p l c ，如果通讯不成功，则液晶屏显示通讯故障错误，p l c 丢弃收 到的错误帧，否则根据接收到的信息进行相应的动作： ( 1 ) 若plc 检测到故障信息，如压板下压是否到位、翻斗上升过程被卡， 则立即停止动作，避免不必要的经济损失； ( 2 ) 若无故障信息，则根据设定信息、按键信息判断响应的开关动作； 在功能键处于现场或远控状态时，人机对话接口必须实时向plc 请求发送 控制对象的运行状态信息，而plc 必须根据人机对话接口的请求实时响应。 6 2 2 2 遥控器部分 常用的短距离无线通信技术有：i r d a 、b l u e t o o t h 、u w b 和r f 等几种，本 次设计综合功耗、可靠性、开发难度以及价格几个方面综合考虑，认为射频方式 是构成遥控器无线数据通信系统的理想方式。 本次设计采用n o r d i c 公司的n r f 4 0 1 芯片和t i 公司s c l 2 1 0 y 5 单片机对遥控装 置进行了相应的硬件设计和软件编程，同时在遥控器上也配置t r t l 2 8 6 4 m ( 液晶 模块) 能够显示控制对象的运行状态，远控情况和报警等信息。其显示页面的设 计同控制部分的液晶显示设计。 2 2 3 远程诊断部分 这次设计我们采用了s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 ，它是s i m c o m 公司推出的一款具 有很高集成度的g p r s 模块，由于其自带t c p i p 等协议，从而降低了g p r s 模块 对微处理器的要求，为在嵌入式设备中实现g p r s 模块与i n t e m e t 通信提出了新的 方式。这次的设计思路如下： s i m 3 0 0 模块内部集成了g s m 控制器、t c p i p 协议，同时提供了两个串口 等。由于s i m 3 0 0 内部没有集成微处理器，所以采用了m s c l 2 1 0 y 5 作为微处理器 1 2 0 l 。用它可以很方便地进行数据的采集，同时完成对s i m 3 0 0 模块的控制和数据 的收发过程，数据可以透明传输也可以根据需要，在s i m 3 0 0 内部重新打包后传 输数据通过m s c l 2 1 0 y 5 采集后，通过串口送至s i m 3 0 0 模块，然后s i m 3 0 0 自动 将数据打包成t c p i p 数据包，并通过g p r s 网络与i n t e m e t l 艮务器建立s o c k e t 连 接，从而进行数据的透明传输。监控中心再对接收到的数据进行处理和分析。 2 3 系统软件设计 硬件电路的设计工作完成以后，系统设计思想的体现和主要功能的完成都将 依赖于系统软件的设计。控制系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外， 与功能完善的软件设计是分不开的。软件故障可能在软件开发过程中的每一步中 被引入，因此采用合适的开发方法，在软件开发过程中的每阶段采取必要的质 量控制手段，达到对软件可靠性的要求。在本节将介绍嵌入式系统软件的特点以 及从软件工程的角度介绍系统的软件开发过程。 2 3 1 嵌入式软件 嵌入式软件与嵌入式系统是密不可分的，是基于嵌入式系统设计的软件，它 也是计算机软件的一种，同样由程序及其文档组成，可细分成系统软件、支撑软 件、应用软件三类，是嵌入式系统的重要组成部分。 2 3 1 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种用途广泛的系统 软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。e o s 负责嵌入系统的全部 软、硬件资源的分配、调度工作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统 的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统通常 以商业运作为主，从上世纪8 0 年代起，商业化的嵌入式操作系统开始得到蓬勃 发展。现在国际上有名的嵌入式操作系统有w i n d o w sc e 、p a l mo s 、l i n u x 、 v x w o r k s 等，已进入我国市场的国外产品有w i n d r i v e r 、m i c r o s o f t 、q n x 和n u c l e a r 等。国内嵌入式操作系统的起步较晚，国内此类产品主要是基于自主版权的l i n u x 操作系统，其中以中软l i n u x 、红旗l i n u x 、东方l i n u x 为代表【1 8 l 。 2 3 1 2 嵌入式支撑软件 支撑软件是用于帮助和支持软件开发的软件，通常包括数据库和开发工具， 其中以数据库最为重要。嵌入式数据库技术己得到广泛的应用，随着移动通信技 术的进步，人们对移动数据处理提出了更高的要求，嵌入式数据库技术已经得到 了学术、工业、军事、民用部门等各方面的重视。嵌入式移动数据库或简称为移 动数据库( e m d b s ) 是支持移动计算或某种特定计算模式的数据库管理系统， 数据库系统与操作系统、具体应用集成在一起，运行在各种智能型嵌入设备或移 动设备上。其中，嵌入在移动设备上的数据库系统由于涉及数据库技术、分布式 计算技术，以及移动通讯技术等多个学科领域，目前已经成为一个十分活跃的研 究和应用领域。国际上主要的嵌入式移动数据库系统有s y b a s e 、o r a c l e 等。我国 嵌入式移动数据库系统以东软集团研究开发出了嵌入式数据库系统 o p e n b a s e m i n i 为代表。 2 3 1 3 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到 用户预期目标的计算机软件。由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有 些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用 软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际 应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件 成本。目前我国市场上已经出现了各式各样的嵌入式应用软件，包括浏览器、 e m a i l 软件、文字处理软件、通讯软件、多媒体软件、个人信息处理软件、智能 人机交互软件、各种行业应用软件等。嵌入式系统中的应用软件是最活跃的力量， 每种应用软件均有特定的应用背景，尽管规模较少，但专业性较强，所以嵌入式应 用软件不像操作系统和支撑软件那样受制于国外产品垄断，是我国嵌入式软件的 优势领域。 2 3 2 嵌入式软件特点 8 就像前节所叙述的，嵌入式系统同通用的计算机系统存在着一定的区别，因 此，它的系统软件也不可避免地存在着与普通的应用软件不同的特征。 那么，在系统软件开发之前，有必要对嵌入式系统软件的特点进行分析，并 根据其特点采用相应的开发模式。 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系 统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 2 3 2 1 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 2 3 2 2 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加， 但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。 为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提 高执行速度。 2 3 2 3 系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度 是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效 率的。 这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性 是基本要求。 2 3 2 4 嵌入式软件系统开发需要开发工具和环境 就像前节所叙述的，嵌入式系统本身不具各自举开发能力，因此必须有一套 开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬 件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 2 3 2 5 嵌入式系统软件需要r t o s 开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接v i ( a p i ) ，是计算机基本组成 不可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台上面运行， 但一般不是实时的。 嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为 了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必 须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少 开发时间，保障软件质量。 2 3 2 6 嵌入式系统开发流程 通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士，而 嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的，要求更多的计算机以外的专 9 业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此开发工具的易学、易用、 可靠、高效是基本要求。 当前比较适合于嵌入式系统软件开发的应当是以瀑布式开发模式( 图2 3 ) 为主的混合开发模式，这是基于嵌入式系统本身的特点决定的。 i 需求分析 l i设计 i i i编码 l l i测试 图2 - 3 嵌入式系统软件瀑布式开发模式图 瀑布式开发模型的开发思路如同瀑布一样，开发过程是自上而下依次进行， 如图2 2 所示。大致过程如下： ( i ) 系统的需求分析：整个嵌入式系统设计开始于对用户的需求分析，由于 系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的，在系统的需求分析里面，既有对 硬件的需求，也有对软件的需求，它关系到硬件与软件的分工，设计人员必须决 定问题的哪一部分在硬件中解决，哪一部分在软件中解决，这种选择也称为软 硬件划分决策。 ( 2 ) 软件的需求分析：要仔细分析软件所要实现的各项功能，分析在功能实 现的前提下对软件性能上的要求，诸如响应时间、执行时间、接口的要求等。同 时还必须弄清楚所要采用的算法规范、各程序模块之间的关系等。 1 0 ( 3 ) 设计：是对上述分析进行细化，将软件的需求转化为软件表示，还可以 分为概要设计和详细设计。通过这两方面的工作将要开发的软件的体系结构、数 据结构、算法描述、过程及接口的细节仔细描述清楚，详尽描述各个子系统和模 块的功能。 ( 4 ) 编码：就是软件设计的实现部分，就是指挥计算机按照上面的描述要求 完成规定的功能，包括选择合适的程序设计语言，使用所选用的语言具体编写程 序。 ( 5 ) 测试及维护：在编码完成后，所编的程序可能会存在缺陷和错误，测试 是发现这些缺陷和错误的极其重要的手段。而在软件交付使用后，由于发现软件 新的错误、用户的需求发生了某些改变或软件的环境发生了改变，这时需要对软 件进行维护。 具体的软件设计方法将在后续章节中详细介绍。 3 1 引言 第三章无线数据传输系统的设计 对压缩式清运车的控制可以用遥控器或控制板来完成。控制板通过有线的方 式来控制清运车的动作。遥控器通过无线的方式来控制清运车的动作。遥控器与 控制板的信息交流( 通过控制板将信号传递给p l c ) 是通过无线数据通讯的方式 来完成的。本次设计对无线数据传输系统的基本要求是可靠性能高、功耗低，至 于传输速度适当即可。 本章首先对几种短距离无线的通信方式进行比较，从而确定利用射频方式构 成无线数据传输系统，然后从几种常用的射频收发芯片中选取n r f 4 0 1 作为本系 统的射频收发模块，并着重讨论以n r f 4 0 1 和m s c l 2 1 0 y 5 构成无线数据传输系 统的方法，通过软硬件组合实现遥控器和控制板之间的无线数据通信。 3 2 无线通信方式的选择 目前，常用的短距离无线通信技术主要有：i r d a ，b l u e t o o t h ，u w b 和r f 等 几种。 红外( i r d a ，i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 是一种短距离红外线通信技术，适用 于低成本、跨平台，点对点高速数据传输。它采用红外线作为通信媒介，支持各 种速率的点到点的数据传输。传输速率高，距离短，要求通信设备的位置固定。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一种支持点到点、点到多点的短距离无线通信技术， 是通用的无线接口及其控制软件的开发标准。依靠专用蓝牙芯片能使设备在短距 离范围内发送无线电信号，丌发复杂，必须有非常昂贵的开发设备。 超宽带( u w b ，u l t r aw i d e b a n dr a d i o ) 是一种类似雷达的新型技术，它先 将信息调制到脉冲的时间和频率上，然后在很宽的频段内传送短脉冲。主要优点 是性能好、功耗低。但是该技术还不够成熟，开发存在定的困难。 射频( r f ，r a d i of r e q u e n c y ) 技术使用几个特定频率中的一个传送数据，可 工作在1 8 1 9 g h z 的高频段或低功率的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段， 无须申请即可使用。r f 技术可靠性高、传输性能好、功耗低，可用于室外、开 放或封闭的室内环境。且市场上有多种射频芯片可用来完成无线数据传输，开发 简单易行。 从功耗、可靠性、开发难度以及价格几个方面综合考虑，r f 方式是本次设 计中的理想选择。 3 3 无线通信模块的选择 市场上无线收发芯片种类和数量很多，对于本次设计的无线传输系统来说， 选择无线收发芯片时主要考虑功耗、体积、外围元件数量、芯片成本、数据传输 是否需要进行曼彻斯特编码( 可靠性) 等几个因素。综合以上几点我们选用了 n r f 4 0 1 作为通信的芯片。 表3 1 常用射频芯片的比较 型号 n r f 4 0 1 t r f 6 9 0 0c c 9 0 0 n r f 4 0 1 优点 r 商 n o r d i ct i c h i p c o n 工作频率 4 3 3 8 6 8 9 1 54 3 3 8 6 8 9 1 5 ( m h z ) 工作电压( v )2 7 - 5 22 2 - 3 62 7 - 3 3 电压范围宽 可以直接单片不可以直接单可以直接单片接口简单 接口方式 机串口片机串口机串口编程简单 调制方式 f s kf s kf s k 最大发射功率 + 1o+ 4 5+ 4 功率较大 ( d b m ) 发射电流( m 4 55 09 1 功耗较小 a ) 接收电流( i n 2 0 3 4 23 功耗较小 a ) 天线数目 121 节省天线、p c b n r f 4 0 1 是北欧集成电路公司n o r d i c 最新推出的短距离无线收发芯片。该芯 片使用了4 3 3 m h zi g m 频段，是真j 下的单片u h f 无线收发一体芯片。在数据编 码方面，n r f 4 0 1 采用了串口传输，无须对数据进行曼彻斯特编码，应用及编程 非常简单，传送效率很高。在控制芯片外围元件的数量方面，n r f 4 0 1 也是一个 理想的选择，它的外围元件只需要1 0 个左右，无须声表面滤波器、变容管等昂 贵的元件，只需要使用4 m h z 的晶体，收发天线合，减小了系统开发的难度。 3 3 1n r f 4 0 i 的特点 1 采用f s k 调制解调技术，增强了其抗干扰能力。 2 集成了高频发送、接收电路和f s k 调制解调功能、使一块芯片就可以完 成全部的数据接收和发送工作。 3 采用p l l 频率合成技术，提高了频率的稳定度。 4 控制芯片的外部引脚，就可以使得芯片在发送模式和接收模式之间切换， 无须任何其他初始化设置。 5 n r f 4 0 1 的最高传输速率可以达到2 0 k b p s ，其最大发射功率为+ 1 0 d b m 在 开阔地的使用距离最远可达到1 0 0 0 m 。 6 具备4 3 3 9 2 m h z 和4 3 4 3 3 m h z 在两个不同的数据频率段，可以在两个频 率段之间自由切换。 7 n r f 4 0 1 的工作电压在2 7 v 5 2 v 之间，可以适应不同的设计。 所以在目前较流行的无线通信芯片中，无论是从使用的方便性、传输的速度 还是输出功率等各个方面考虑，n r f 4 0 1 都是一种较为理想的选择。 考虑到设计的周期和产品的可靠性等方面的因素，本次设计中选用了基于 n r f 4 0 1 芯片的p t r 2 0 0 0 作为无线数据传输模块。 3 4p t r 2 0 0 0 的工作原理及性能 p t r 2 0 0 0 无线收发数据传输m o d e m 是基于n o r d i cv l s ia s a 公司推出的 射频收发芯片n r f 4 0 1 。 p t r 2 0 0 0 融接收、发射二者合一，工作频率为国际通用的数据传输频段 4 3 3 m h z ，因此无须申请使用许可证。 p t r 2 0 0 0 采用抗干扰能力较强的频移键控( f s k ) 调制解调方式，特别适合 工业控制场合。 p t r 2 0 0 0 采用d d s + p l l 频率合成技术，频率稳定性极好；灵敏度高，达到 1 0 5 d b m ；低工作电压( 2 7 v ) ，功耗小，接收状态2 5 0 9 a ，待机状态仅为8 9 a ； 具有2 个频道，特别满足多信道工作的特殊场合。 p t r 2 0 0 0 传输速率最高可达2 0 k b i t s ；体积超小约4 0 x 2 7 x 5 ( m m ) ；可连接单 片机串口，也可以直接连接计算机r s 2 3 2 接口，软件编程非常方便，在空旷地 带传输距离可达3 0 0 m 。另外使用p t r 2 0 0 0 无线通信模块无需进行曼彻斯特编 码就可以直接传送数据，减少了编程的工作量和产品开发的难度。 p t r 2 0 0 0 的通信速率最高为2 0 k b i t s ，也可工作在其它速率如4 8 0 0 b p s 、 9 6 0 0 b p s 下，无需设置p t r 2 0 0 0 的工作速率。在发送数据之前，应将模块先置于 发射模式，即t x e n = i 。然后在等待至少5 m s 后( 接收到发射的转换时间) 才 可以发送任意长度的数据。发送结束后应将模块置于接收状态，即t x e n = 0 。发 射到接收的转换时间为5 m s 。 因而是目前低功率无线数据传输的理想选择。 1 4 3 5 系统基本工作过程 控制板 p t r 2 0 0 0 图3 1 遥控器与控制板通讯原理图 基于p t r 2 0 0 0 的单片机近程无线传输控制系统一般分为两个部分：控制中 心端和移动设备端，整个系统框架如图3 i 所示。 系统其工作原理为：交互式设备( 如：l c d 、控制键盘、h m i 等等) 通过串1 2 1 将各种控制命令和数据传输给控制中心端的单片机处理，然后再将控制命令和数 据通过控制中心端的p t r 2 0 0 0 发射出去，由控制板端的p t r 2 0 0 0 接收，再将信 息传给控制板端的单片机。 单片机经过处理转换为相应的控制信号，由p l c 控制所控设备，从而实现 整个系统进程的控制。 单片机所控设备的运动参数和状态经p t r 2 0 0 0 又可反馈给遥控器端的交互 式设备( 如：l c d 、控制键盘、h m i 等等) ，从而实现人机交互。 以这次压缩式清运车的无线控制为例：如果设定翻斗上升的控制信号为 “0 0 1 ”，那么在遥控面板中键入上升命令时，即从遥控器上发送了“0 0 1 ”信号给遥 控面板端的单片机，此时遥控面板端的单片机经过处理后直接传给遥控面板端的 p t r 2 0 0 0 芯片，从而将数据发射出去，由控制板端的p t r 2 0 0 0 芯片接收后，直 接传到控制板端的单片机进行处理。 单片机将信号传给p l c ，p l c 发出相应的控制信号从而控制翻斗上升。同时 可进行一个逆向的过程，将执行的效果反馈到控制面板的“数据反馈区”，即将“翻 斗上升”状态显示出来。 3 6m s o l 2 1 0 y 5 与p t r 2 0 0 0 接口电路设计 图3 2m s c l 2 1 0 y 5 与p t r 2 0 0 0 接口电路设计 m s c l 2 1 0 y 5 单片机主要完成数据的采集和处理，向p t r 2 0 0 0 模块发送数据 并且接收控制板通过p t r 2 0 0 0 传送过来的数据。与遥控器相连的p t r 2 0 0 0 模块 主要是将控制信号调制成射频信号，发送到控制板的p t r 2 0 0 0 模块。 m s c l 2 1 0 y 5 的r x d 引脚和p t r 2 0 0 0 的d o 引脚相连，m s c l 2 10 y 5 的t x d 引脚和p t r 2 0 0 0 的d i 引脚相连，实现串行数据传输；决定p t r 2 0 0 0 工作模式的 t x e n 、c s 、p w r 三个引脚分别和m s c l 2 1 0 y 5 的i o 控制口中的p 2 o 、p 2 1 、 p 2 2 相连，工作时由m s c l 2 1 0 y 5 决定p t r 2 0 0 0 的工作模式。 3 7p t r 2 0 0 0 工作模式的设置 各引脚功能 v c c ：电源输入脚，电压范围2 7 v 5 2 v 。 c s ：频率选择脚。c s = 0 ，工作在频段1 ，即4 3 3 9 2 m h z ；c s = i ，工作在频 段2 ，即4 3 4 3 3 m h z 。 d o ：数据输出端。 d h 数据输入端。 g n d ：电源地。 p w r ：低功耗控制。p w r = i ，模块处于j 下常状态；p w r = 0 ，模块为待机微 功耗状态。 1 6 t x e n ：工作模式切换。t x e n = 1 ，模块为数据发射状态；t x e n = 0 ，模块为 数据接收状态。 正确地设置工作模式对于使用p t r 2 0 0 0 模块至关重要，对于p t r 2 0 0 0 而言， 工作模式设置包括工作频道的设置和发送、接收、待机工作状态的设置，这由 t x e n 、c s 、p w r 三个引脚共同决定。 3 8 串行无线通信协议设计 无线通信中，由于外部环境的干扰，通常误码率比较高，因此通信协议的设 计对保证通信的可靠性十分重要。对协议设计而言，最重要的是帧结构的设计。 一般数据帧的内容包括起始字节、数据长度字节、数据字节、结束字节和校验字 节。帧结构如下图所示 起始位设备地址功能代码数据c r c 校验结束符 1 个字符2 个字符2 个字符n 个字符2 个字符2 个字符 a s c i i 起始位设备地址功能代码数据c r c 校验结束符 tl t 2 一t 3 一t 48 b i t8 b i tn 个8 b i t1 6 个b i tt1 - t 2 - t 3 - t 4 r t c 图3 - 3a s c i i 和r t c 格式帧结构图 对于帧的校验方法本次设计采用了简单的和校验的方法进行。先将所有的字节相 加，然后将结果截短到所需的位长，如，4 个字节1 0 8 、2 、8 0 、1 9 8 的校验和为 1 3 2 。 发送端将待发送的数据进行和校验和计算，将效验和值放在数据后一起发 送，在接收端，对接收到的数据进行和校验计算，然后和收到的和校验字节比较， 进行误码判断。 3 9 软件设计 使用n r f 4 0 1 组成的无线传输系统编程容易实现，n r f 4 0 1 在设计上充分考 虑了用户编程和使用的方便，数据的编码和解码在n r f 4 0 1 内自动完成，用户只 要控制其工作方式即可完成数据的接收和发送。n r f 4 0 1 采用f s k 调制方法，调 制在2 0 k b p s ，频率偏离在士5 0 k h z 。数据在内部进行曼切斯特编码和曼切斯特解 码，微控制器不需要制定编解码规则，因此可以大大降低程序量。在数据发送和 接收之前，应该由m c u 设定n r f 4 0 1 的工作模式，对n r f 4 0 1 进行初始化。然 后根据系统要求，进行数据的发送与接收。发射步骤为：当应用m c u 遥控数据 节点时，应将p t r 2 0 0 0 设置为发射模式，t x e n = 1 。在等待5 m s ( 接收和发射的 切换时间) 后才可以发射数据。 表3 2p t r 2 0 0 03 - 作模式表 引脚电平工作模式 t x e n c sp w r 工作频段工作状态 0011 ( 4 3 3 9 2 m h z ) 接收 01l2 ( 4 3 4 3 3 m h z )接收 1o11 ( 4 3 3 9 2 m h z ) 发射 1 l 1 2 ( 4 3 4 3 3 m h z ) 发射 0 待机 在软件编程过程中，对p t r 2 0 0 0 的工作模式和工作频道的选择尤为重要， 表3 2 给出了该模块的工作模式控制及工作频道的选择方式。p t r 2 0 0 0 可工作在 许多通信速率下，如4 8 0 0 b p s ，9 6 0 0 b p s 。最高通信速率为2 0k b p s 。发射和接 收前应将p t r 2 0 0 0 模块置于发射或接收状态，即设置t x e n 为1 ( 发射) 或为0 ( 接 收) ，并要再等待至少5m s 后( 接收与发射的转换时间) 才可以发射或接收任意长 度的数据。 当p w r 为0 时，p t r 2 0 0 0 进入节电待机模式此时功耗大约为8 u a ，但在待 机模式下不能接收和发射数据。对p t r 2 0 0 0 进行编程时，应注意除了正常的发 射、接收和待机模式外，还需特别注意在无信号时，p t r 2 0 0 0 的串口输出的是随 机数据。 因此需要定义一个特定的通信协议以保证数据收发的正确率。如在发射时， 应在有效数据之前加3 个或多个l 字节的固定标志，以便在接收一方的软件中先 检测该固定标志。并将其作为正式数据的开始。这次设计的实验表明，0 f f h 后 跟个0 0 h 的数据出现概率相当小。因此，单片机发送数据的开始应该以一个 1 8 或几个0 f f h 跟一个0 0 h 作为通信的起始位，而接收协议规定只接收以相应个数 的0 f f h 后跟一个0 0 h 开始的包。违反此协议的包均丢弃。如果此系统应用于分 布式多点控制系统的话则需要在起始位和数据位之间添加一个地址位。另外为了 使系统能够可靠地通信，应考虑数据的纠检错。检错可采用c r c 校验。 接收步骤为：接收时p t r 2 0 0 0 置于接收模式，t x e n = 0 。m c u 在不发射时 的绝大部分时间都处于接收状态。 具体的软件流程图如