（机械电子工程专业论文）rs232串口无线通信与旋转刺激台控制系统设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 抗运动病药物筛选实验是中药抗运动病研制的重要环节。论文内容是抗运 动病药物筛选实验法设备仪器研制的一部分。文章基于当前微电子技术和计算 机技术的最新发展，提出了该设备仪器研制的总体方案，重点阐述了作者所要 承担的p c 机r s - 2 3 2 串口 无线通信系统以及旋转刺激台转速无线控制系统的研 制。 r s - 2 3 2 串口无线通信系统选用2 . 4 g h z ，工作在i s m 频段的无线收发芯片 n r f 2 4 e 1 为核心器件。 文章论述了它的工作原理， 并给出了通信系统的具体软硬 件设计。该系统实现了p c 机与外围设备的短距离无线数据通信，使p c 机可以接 收旋转生物信号并进行数据处理，同时对旋转刺激台转速进行无线遥控。 旋转刺激台转速无线控制以单相异步电动机为执行元件， 用n r f 2 4 e 1 来无线 接收p c 机发出的转速命令， 实现对异步电动机的变频调速。 n r f 2 4 e 1 既充当着无 线收发器的角色又承担着对逆变器功率开关器件的控制任务，逆变器选用工 g 3 t 智能功率模块。论文阐述了异步电动机恒压频比s p w m 调速的基本理论，并在此 基础上论述了调速设计所采用的单极性平均对称规则采样算法，根据计算结果 设计了系统的软件编程，用软件生成s p w m 控制波。 论文对各组成电路进行了实际制作，编写了软件程序，并对结果进行了测 试。调试结果显示，软硬件制作很好地满足了课题的要求。 本文属于国家自然科学基金( 5 0 2 7 5 1 2 5 ) 和横向课题 ( n 3 e k 1 0 1 7 )资助项 目。 关键词: 无线通信，n r f 2 4 e 1 ，变频调速，正弦脉宽调制，智能功率模块 abs tract t h e w o r k o f t h i s p a p e r i s t h e p a rt r e s e a r c h o f e q u i p m e n t s w h i c h a r e u s e d in m e d i c a m e n t f i l t r a t i o n t o f i g h t b a c k t h e k i n e t o s i s . t h e p a p e r g i v e s t h e t o t a l r e s e a r c h s c h e m e o f t h e e q u i p m e n t s . i t i s e m p h a s i z e d o n t h e s t u d y o f r a d i o - c o m m u n i c a t i o n s y s t e m o f r s - 2 3 2 c o m p o rt i n p c m a c h i n e a n d t h e s t u d y o f r a d i o - c o n t r o l s y s t e m o f r o t a t e s p e e d o f r o t a ry s t i m u l a t o r , w h i c h a r e t h e w o r k s o f a u t h o r . n r f 2 4 e l r a d i o d i s p a t c h e r c m o s c h i p i s s e l e c t e d a s t h e c o r e a p p a r a t u s i n t h e r a d i o - c o m m u n i c a t i o n s y s t e m o f r s - 2 3 2 c o m p o r t , t h e w o r k t h e o ry o f w h i c h i s e x p l a i n e d i n t h e p a p e r . a n d t h e d e t a i l e d d e s ig n o f s o ft w a r e a n d h a r d w a r e o f t h e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m a r e g i v e n . t h e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m h a s c a r r i e d o u t t h e r a d i o d a t a - t r a f f ic i n s h o rt d i s t a n c e b e t w e e n p c m a c h i n e a n d p e r i p h e r a l e q u i p m e n t s , a n d m a k e s t h e p c m a c h i n e r e c e i v e t h e r o t a r y b i o l o g i c s i g n a l a n d p r o c e s s t h e d a t a . t h e s i n g le - p h a s e a s y n c h r o n i s m e l e c t r o m o t o r a c t i n g a s e x e c u t i v e c o m p o n e n t a n d n r f 2 4 e l r e c e i v i n g t h e o r d e r o f r o t a t e s p e e d , t h e r a d i o - c o n t r o l o f r o t a t e s p e e d o f r o t a ry s t i m u l a t o r c a r r i e s o u t t h e f r e q u e n c y - c o n v e r s i o n t i m i n g o f t h e as y n c h r o n i s m e l e c t r o m o t o r . n r f 2 4 e l s e r v e s as t h e r a d io t r a n s c e i v e r a n d c o n t r o l t h e p o w e r s w i t c h a p p a r a t u s o f a t h w a rt a p p a r a t u s w h i c h e l e c t t h e i p m . t h e p a p e r a l s o s h o w s t h e b a s i c t i m i n g t h e o r y o f s p w m o f as y n c h r o n i s m e l e c t r o m o t o r a t t h e c o n s t a n t v o l t s / h e rt z r a t i o . o n t h e b as i c , t h e s a m p l i n g a r it h m e t i c o f t h e a v e r a g e m o n o p o l e s y m m e t r y r u l e i s e x p l a i n e d . a c c o r d i n g t o t h e c a l c u l a t i o n a l r e s u l t s t h e s y s t e m i c s o ft w a r e p r o g r a m i s d e s i g n e d . t h e s y s t e m i c s o ft w a r e c r e a t e s t h e s p wm c o n t r o l l i n g w a v e . t h e h a r d w a r e a n d t h e s o ft w a r e a r e p r a c t i c a l l y m a n u f a c t u r e d i n t h e p a p e r .t h e e x p e r im e n t a l r e s u l t s a r e t e s t i f i e d .t h e r e s u l t s o f d e b u g g i n g s h o w t h a t t h e s o ft w a r e a n d h a r d w a r e d e e p ly a g r e e w i t h t h e r e q u e s t o f t h e q u e s t i o n s . i n t h i s p a p e r , t h e r e s e a r c h i s s p o n s o r e d b y t h e n a t u r a l s c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h i n a ( 5 0 2 7 5 1 2 5 ) a n d t h e h o r i z o n t a l s u b j e c t ( n 3 e k1 0 1 7 ) . k e y w o r d s : r a d i o c o m m u n i c a t i o n , n r f 2 4 e i , i n v e rt e r t i m i n g , s p wm, i p m 1 1 西北下业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 问题的提出 人肌体在运动中受到加速度、视觉和深部感觉的刺激，当肌体不能适应这 些刺激时，可发生眩晕、头昏、恶心、呕吐、面色苍白等一系列前庭植物神经 反应，称为运动病。运动病作为一种疾病，对人体的健康构成了一定的威胁。 在现代的交通情况下， 运动病的发生率明显增加， 据统计， 约9 0 %的人体验过 运动病，1 0 %3 0 %患有严重的运动病，飞行人员在训练中晕机发生率为 4 0 ， 大约5 0 %的航天员发生过空间运动病。 因 此运动病和空间运动病的防治 是医 学中 pt a 待解决的问 题l 3 ) 随着各种航空、航天计划的实施以 及高科技条件下应急的需要，英国、法 国、美等西方国家投入了大量的人力和物力，研究出不少抗运动病的药物，如 用于抗眩晕的晕海宁、甲经安定、莫达非尼、咖啡因、马凑等，作为调节睡眠 和提高中枢觉醒状态的一项主要措施。 尽管这些西药对人的中枢神经系统有抑 制作用， 但都无法避免产生口 千和嗜睡等系列副作用， 更重要的是对处于运动 状态中的各类人员的神经系统和记忆力有不同程度的损害性影响。 结果导致工 作 效率 和 适应能 力 严重 下降 。 目前，国内关于抗运动病药物的研制已取得了初步成效，但还处于发展阶 段。尤其在中药抗运动病方面的研究，由于中药大部分化学成分不明确，或者 化学成分与药效之间的关系极其复杂， 因而不能像西药那样用分子构成去沦证 其药理， 只能用实验法去验证其疗效， 进而进行药效分析以及药物筛选。 因此， 根据当前最新电子技术的发展， 去构建一个适合中国国情的中药研制实验法电 子平台， 进而使中药的发展走上从定性到量性、 从经验分析到科学分析的道路， 已 显得非常重要。 本课题所研制的实验电子平台智能程度高、 操作简单、性价 比良 好、实验分析精度高， 将会使中药的分析由定性走向定量，由经验的判定 走向科学的分析，有力地推动中医事业的发展。 第一章绪论 1 . 2 国内外研究现状分析 目前，国内外关于抗运动病药物筛选实验法有多种。从诱发眩晕的刺檄环 境分析，主要以旋转法居多， 其特点是简单实用，也有模拟仿真法，主要用于 空晕和船晕， 其实验成本较高。从检测方法分，主要有肉眼观测法、动物眼图 摄像法、 电图 法。 从检测 对象分 ， 主 要有眼图 分析 法l s l ， 前庭血 流量分 析法 6 l 兔 脑电 功 率 谱分 析 法 等 h l 中国药科大学所开发研制的筛选抗运动病药物的动物实验方法就是选用一 个昆明种小鼠， 通过训练使其建立起逃避电击反射， 然后通过旋转使动物产生 眩晕，以 旋晕 后逃避电 击反 射完成所需的时fa t 作为 衡量药效的 重 要指标 8 l 广州解放军体育学院军事体能训练研究中心孙学川教授研制出我国第一台 “ 绳索斜拉式电动抗眩晕实验平台”，可以逼真地模拟航海中的各种状态. 以 及直浪、斜浪、混合浪等各种海浪， 还可以自 行加温、加湿。该实验平台代表 了 模 拟仿 真实 验法的 最 新技 术 9 l 动物眼图摄像法是指通过摄取眩晕后动物眼睛图像的方法，根据眼图的变 化， 用相应的数学模型进行分析。 眼震电图法( e n c ) 是指通过贴电片导出动物眼 睛角膜与视网膜之间存在的电位差在眼球周围形成的电场，从而分析动物是否 眩晕，它是目 前测量眼球运动的一种比 较精确的方法。 它把计算机及信号 处理 技术应用于眼震电图的分析处理，代替手工分析，实现了 从定性分析到定量分 析的飞跃，但对眼震电图测量分析的仪器大多是进口的，价格昂贵，且无法掌 握测试的核心技术，国内也有许多单位研究智能眼震电图测试仪器，如 h z y - 1 型智能化眼震电图机，不过在测试中使用的是盘形生物电极，对测试者有一定 的刺激，因而有时会出现鹰像，达不到实验的要求。 兔脑电功率谱分析法采用正弦旋转刺激，引发家兔产生眼震，在兔子清醒 安静状态下将脑电引导电极插入兔子顶部皮下， 参照电极和接地电极分别插入 兔子左右耳廓皮下， 然后由计算机分析脑电的平均功率谱， 从而达到精确分析 目 玄 晕的实验方法。 西北工业大学硕士学位论文 1 . 3 系统总体方案简介 课题所研究的抗运动病药物筛选实验法是采用旋转刺激法促使动物小白 鼠发生病变，同时实时采集处于旋转状态中的小白鼠的眼睛图像以及小白鼠耳 垂的血流量， 进而经由p c 机， 建立相应的数学模型来定量分析动物的眩晕状态。 此实验法相对于目 前国内外各种实验方法具有实时性， 科学性等特点，同时可 以采集多路信号进行综合分析处理。 本课题是要设计一种实验检测设备， 用来筛选抗运动病药物，它的主要1 作方法是对小白鼠 在正常情况下与眩晕服药后情况进行对比，来分析药效，主 要测量指标是小白鼠的眼图变化及耳垂处的血流量变化情况。 图1 . i课题总体方案框图 此设备主要包括数据采集模块、 数据压缩模块、 无线通信模块、 p c 机数据 处理模块、旋转刺激台控制几个模块，设计思路为:把小白鼠固于旋转的平台 上， 然后通过c c d 图像传感器和光电 传感器分别对小白鼠 的眼睛图 像和耳垂的 血流量进行采集，再把采集到的眼睛图 像信号压缩后经由无线通信装置( 一) 送 往p c 机，采集到的耳垂血流量信号可直接经由无线通信装置( 二) 送往 p c 机， p c 机再对两路数据进行处理和分析，并用图形表示出来，以便对测量结果进行 第一章绪论 定量分析，旋转平台的转速由计算机控制，以便采集不同转速情况下的数据， 描绘出对应的图形，以便对药效进行全面的分析， 转速控制由计算机和无线通 信模块( 二) 来完成。其总体设计方案框图如图1 . 1 所示。 该方案几经推敲，已能很好的满足实验要求， 并且应用了最新的计算机技 术和微电子技术，从而提高了设备的可靠性和抗干扰能力，同时设备具有体积 小、能耗低、开发周期短、开发费用低等特点。当测试条件改变时，只需通过 设置不同的软件参数就可进行实验，而不需要对设备硬件进行改动，有很好的 可扩展性。 1 . 4 本文主要研究工作及意义 一、本文研究的主要内容 课题的设计工作采用模块化，分组协作的方式。 本文研究工作的主要内容 是对通信模块与旋转刺激台控制模块的设计和制作以及n r f 2 4 e l 单片机的软件 开发。 1 、通信模块的研制 通信模块的主要工作是与主控p c机进行通信，为动物信号的传输提供另 一个通道，同时完成对旋转刺激台模块控制命令的传送。通信模块与下位机通 信采用无线数字的方式，以n r f技术为核心，即可以无线接收，又可以无线发 射;与主控p c机根据串口通信协议进行r s - 2 3 2串口通信。 2 .旋转刺激台控制模块的研制 旋转刺激台控制模块以 单相异步电动机为执行元件，以旋转刺激台为控制 对象。它的主要功能是接收通信模块传送的 p c机控制命令，对电动机进行调 速， 进而通过减速箱实现对旋转刺激台的转速控制。 对电动机的调速拟采用v / f 数字式s p wm控制来实现，减速箱设计采用二级圆柱齿轮传动。 3 、软件编程 软件编程包括上位机单片机编程和下位机单片机编程。上位机软件编程主 要完成与 p c机的通信以及对无线收发器的控制;下位机软件编程主要实现 第一章绪论 定量分析，旋转平台的转速由计算机控制，以便采集不同转速情况下的数据， 描绘出对应的图形，以便对药效进行全面的分析， 转速控制由计算机和无线通 信模块( 二) 来完成。其总体设计方案框图如图1 . 1 所示。 该方案几经推敲，已能很好的满足实验要求， 并且应用了最新的计算机技 术和微电子技术，从而提高了设备的可靠性和抗干扰能力，同时设备具有体积 小、能耗低、开发周期短、开发费用低等特点。当测试条件改变时，只需通过 设置不同的软件参数就可进行实验，而不需要对设备硬件进行改动，有很好的 可扩展性。 1 . 4 本文主要研究工作及意义 一、本文研究的主要内容 课题的设计工作采用模块化，分组协作的方式。 本文研究工作的主要内容 是对通信模块与旋转刺激台控制模块的设计和制作以及n r f 2 4 e l 单片机的软件 开发。 1 、通信模块的研制 通信模块的主要工作是与主控p c机进行通信，为动物信号的传输提供另 一个通道，同时完成对旋转刺激台模块控制命令的传送。通信模块与下位机通 信采用无线数字的方式，以n r f技术为核心，即可以无线接收，又可以无线发 射;与主控p c机根据串口通信协议进行r s - 2 3 2串口通信。 2 .旋转刺激台控制模块的研制 旋转刺激台控制模块以 单相异步电动机为执行元件，以旋转刺激台为控制 对象。它的主要功能是接收通信模块传送的 p c机控制命令，对电动机进行调 速， 进而通过减速箱实现对旋转刺激台的转速控制。 对电动机的调速拟采用v / f 数字式s p wm控制来实现，减速箱设计采用二级圆柱齿轮传动。 3 、软件编程 软件编程包括上位机单片机编程和下位机单片机编程。上位机软件编程主 要完成与 p c机的通信以及对无线收发器的控制;下位机软件编程主要实现 西北工业大学硕士学位论文 s p wm的算法以及对下位接收器的控制。 二、本文研究的意义 本文所研究的内 容运用了先进的计算机技术和微电子技术， 对于整个课题 的研究和设计工作具有重要的意义。 1 、 精确实现课题既定功能，使得整个课题具有高集成化、低能耗、低成 本、系统可扩展等新特点; 2 、 通过本文研究的通信模块实现p c机与外设之间的短程无线通信， 对于 难于布线的p c机通信场合有借鉴价值; 3 、实现单相异步电动机的无线调速; 4 、以经济型高、工作寿命长的交流调速代替传统的直流调速。 1 . 5 本章小结 沐章首先介绍了 运动病的 情况、 运动病对人体健康的危害以 及研制抗运动 病药物的紧迫性，进而阐述了目 前国内外关于抗运动病药物筛选实验法的发展 现状，并根据中药抗运动病药物研制的要求、电子技术的最新发展，提出了一 种更加科学的抗运动病药物筛选实验法，给出了该实验法所需检测设备的设计 方案，该方案以p c 机为主控机，可以实时地测量处于旋转状态中的生物信号。 最后，简述了本文所要研究的主要内容以及对本课题的贡献。 西北工业大学硕士学位论文 s p wm的算法以及对下位接收器的控制。 二、本文研究的意义 本文所研究的内 容运用了先进的计算机技术和微电子技术， 对于整个课题 的研究和设计工作具有重要的意义。 1 、 精确实现课题既定功能，使得整个课题具有高集成化、低能耗、低成 本、系统可扩展等新特点; 2 、 通过本文研究的通信模块实现p c机与外设之间的短程无线通信， 对于 难于布线的p c机通信场合有借鉴价值; 3 、实现单相异步电动机的无线调速; 4 、以经济型高、工作寿命长的交流调速代替传统的直流调速。 1 . 5 本章小结 沐章首先介绍了 运动病的 情况、 运动病对人体健康的危害以 及研制抗运动 病药物的紧迫性，进而阐述了目 前国内外关于抗运动病药物筛选实验法的发展 现状，并根据中药抗运动病药物研制的要求、电子技术的最新发展，提出了一 种更加科学的抗运动病药物筛选实验法，给出了该实验法所需检测设备的设计 方案，该方案以p c 机为主控机，可以实时地测量处于旋转状态中的生物信号。 最后，简述了本文所要研究的主要内容以及对本课题的贡献。 第二章 系统通信与旋转刺激台 控制方案设计 第二章系统通信与旋转刺激台控制方案设计 2 . 1 前言 本文所论及的抗运动病药物筛选实验法的最大特点是对生物信号采集的 实时性，也就是说，本文所要采集的信号是一个可调速的旋转信号。对旋转信 号的采集首先要考虑的问 题是如何将旋转信号引出 来以及怎样提高信号传输的 可靠性和精确性。目前国内外传输旋转信号的方法主要有两种，集流器传输和 无线传输。 集流器传输包括拉线式传输、 感应式传输和电 刷式传输三种方式d o f 无线传输包括红外传输和无线电传输两种。无线电传输按基带信号的形式又可 以 分为 模拟 信号 传 输和 数字 信 号 传输 i i i ， 如图2 . 1 所 示。 图2 . 1传输旋转信号的方法 电刷式集流器工作时，由于旋转， 集流器定转子会有发热现象，这将导致 信号漂移，影响信号传输的精度。感应式集流器使用时，由于其动静线圈之f 司 的间隙变化会引起磁阻的变化，也会影响信号传输精度。拉线式集流器使用时 容易磨损，从而对材料要求较高，且只适用于转速较低时。红外传输由于其方 向性较强，不能穿越障碍物，因此也存在着自 身的局限性。无线模拟信号传输 时，其基带信号是连续的，引入噪声干扰后难于排除，故抗干扰能力较差。采 第二章 系统通信与旋转刺激台 控制方案设计 第二章系统通信与旋转刺激台控制方案设计 2 . 1 前言 本文所论及的抗运动病药物筛选实验法的最大特点是对生物信号采集的 实时性，也就是说，本文所要采集的信号是一个可调速的旋转信号。对旋转信 号的采集首先要考虑的问 题是如何将旋转信号引出 来以及怎样提高信号传输的 可靠性和精确性。目前国内外传输旋转信号的方法主要有两种，集流器传输和 无线传输。 集流器传输包括拉线式传输、 感应式传输和电 刷式传输三种方式d o f 无线传输包括红外传输和无线电传输两种。无线电传输按基带信号的形式又可 以 分为 模拟 信号 传 输和 数字 信 号 传输 i i i ， 如图2 . 1 所 示。 图2 . 1传输旋转信号的方法 电刷式集流器工作时，由于旋转， 集流器定转子会有发热现象，这将导致 信号漂移，影响信号传输的精度。感应式集流器使用时，由于其动静线圈之f 司 的间隙变化会引起磁阻的变化，也会影响信号传输精度。拉线式集流器使用时 容易磨损，从而对材料要求较高，且只适用于转速较低时。红外传输由于其方 向性较强，不能穿越障碍物，因此也存在着自 身的局限性。无线模拟信号传输 时，其基带信号是连续的，引入噪声干扰后难于排除，故抗干扰能力较差。采 西北工业大学硕士学位论文 用无线数字信号传输，由于信号是数字量，故可以 加入纠检错算法，从而提高 传输的抗干扰能力。 基于上述讨论，本文采用无线电数字传输的方式，来传输 信号。 系统总体方案， 如图2 .2 所示。 上位无线收发机与p c机通信， 传输两路 信号，一路信号为旋转的生物信号，一路信号通过下位无线收发机控制旋转刺 激台。 旋转信号 旋转刺激台 lc 月无线收发 图2 .2系统总体方案 2 . 2 2 . 2 . 1 通信系统方案设计 无线通信标准选择 目 前， 比较实用的短距离无线通信标准主要有n r f 技术、 蓝牙技术、 8 0 2 . l l b 无线局域网技术和 h o m e r f家用无线局域网技术四种。这四种标准都工作在 2 . 4 g h z i s m 频段， 但各自 都有不同的特点，因此适应的 应用场合也有所不同。 8 0 2 . 1 l b 传输速率高， 传输距离远， 但它适合于有因 特网的地方，适应于 多人同时高速连接上因特网的时机，不适合于个人周围的电子设备之间以及个 人电脑与电子设备之间的连接; h o m e r f 适合于个人电脑与电子设备之间的连接， 但是它同样要求连接上因特网:n r f技术和蓝牙技术不需要连接上因特网，同 时适合于个人周围的电子设备之间以及个人电脑与电子设备之间的连接，因此 符合本文的设计要求， 但是n r f 技术和蓝牙技术也有各自不同的特点， 如表2 . 1 所 示 ， 。 山于n r f 技术与蓝牙技术相比较，具有硬件设计简单、接口方式方便、开 西北工业大学硕士学位论文 用无线数字信号传输，由于信号是数字量，故可以 加入纠检错算法，从而提高 传输的抗干扰能力。 基于上述讨论，本文采用无线电数字传输的方式，来传输 信号。 系统总体方案， 如图2 .2 所示。 上位无线收发机与p c机通信， 传输两路 信号，一路信号为旋转的生物信号，一路信号通过下位无线收发机控制旋转刺 激台。 旋转信号 旋转刺激台 lc 月无线收发 图2 .2系统总体方案 2 . 2 2 . 2 . 1 通信系统方案设计 无线通信标准选择 目 前， 比较实用的短距离无线通信标准主要有n r f 技术、 蓝牙技术、 8 0 2 . l l b 无线局域网技术和 h o m e r f家用无线局域网技术四种。这四种标准都工作在 2 . 4 g h z i s m 频段， 但各自 都有不同的特点，因此适应的 应用场合也有所不同。 8 0 2 . 1 l b 传输速率高， 传输距离远， 但它适合于有因 特网的地方，适应于 多人同时高速连接上因特网的时机，不适合于个人周围的电子设备之间以及个 人电脑与电子设备之间的连接; h o m e r f 适合于个人电脑与电子设备之间的连接， 但是它同样要求连接上因特网:n r f技术和蓝牙技术不需要连接上因特网，同 时适合于个人周围的电子设备之间以及个人电脑与电子设备之间的连接，因此 符合本文的设计要求， 但是n r f 技术和蓝牙技术也有各自不同的特点， 如表2 . 1 所 示 ， 。 山于n r f 技术与蓝牙技术相比较，具有硬件设计简单、接口方式方便、开 西北工业大学硕士学位论文 用无线数字信号传输，由于信号是数字量，故可以 加入纠检错算法，从而提高 传输的抗干扰能力。 基于上述讨论，本文采用无线电数字传输的方式，来传输 信号。 系统总体方案， 如图2 .2 所示。 上位无线收发机与p c机通信， 传输两路 信号，一路信号为旋转的生物信号，一路信号通过下位无线收发机控制旋转刺 激台。 旋转信号 旋转刺激台 lc 月无线收发 图2 .2系统总体方案 2 . 2 2 . 2 . 1 通信系统方案设计 无线通信标准选择 目 前， 比较实用的短距离无线通信标准主要有n r f 技术、 蓝牙技术、 8 0 2 . l l b 无线局域网技术和 h o m e r f家用无线局域网技术四种。这四种标准都工作在 2 . 4 g h z i s m 频段， 但各自 都有不同的特点，因此适应的 应用场合也有所不同。 8 0 2 . 1 l b 传输速率高， 传输距离远， 但它适合于有因 特网的地方，适应于 多人同时高速连接上因特网的时机，不适合于个人周围的电子设备之间以及个 人电脑与电子设备之间的连接; h o m e r f 适合于个人电脑与电子设备之间的连接， 但是它同样要求连接上因特网:n r f技术和蓝牙技术不需要连接上因特网，同 时适合于个人周围的电子设备之间以及个人电脑与电子设备之间的连接，因此 符合本文的设计要求， 但是n r f 技术和蓝牙技术也有各自不同的特点， 如表2 . 1 所 示 ， 。 山于n r f 技术与蓝牙技术相比较，具有硬件设计简单、接口方式方便、开 第二章系统通信与旋转刺激台控制方案设计 发周期短、开发成本低以及通信距离远等特点，因此本文设计将采用 n r f 技术 方案。 表 2 . 1蓝牙与 n r f 方案比较 短距离无线 数传方案 硬件设计接口方式编程 通信 速率 通信距离 开发 成本 蓝牙方案 山多个芯 片组成， 硬件复杂 复杂，时序 要求严格 通信协议复 杂， 需购买专 用开发系统 1 m b p s l o m 需专用 仪器 n r f 方案 多数元件 内置，外 围元件少 简便，只需 与 单 片 机 1 / 0或串口 连接 提供实用化 编程代码， 编 程简单 1 m b p s 室内 3 0 -4 0 m , 室外 8 0 -2 0 0 m 不 需 专 用仪器 2 . 2 . 2 r s - 2 3 2 串口无线通信系统方案设计 本文所要研究的通信系统包括r s - 2 3 2串口 通信和无线数据通信两部分， 如 图2 .3 所示。 p c机通过r s - 2 3 2 串口 与n r f 2 4 g 1 射频收发集成芯片通信， 基于 r s - 2 3 2 协议的串 行口 是计算机的标准接口， 其硬件简单， 易于操作， 从而成为 单片机应用系统与计算机短距离通讯的理想选择，由 于r s 2 3 2 协议采用的电 平 是士1 2 v ,因此在t t l 电 平的数字信号进入c o m 口 前应进行电平的转换 1 3 . 1 4 1 图2 . 3通信系统结构框图 长期以来，由于无线开发经验的缺乏，很大程度上阻碍了无线应用开发的 推广与普及。迅速发展起来的射频集成电路，以其先进性、工程性、实用性， 为从事无线数字视音频数据传输，无线遥测遥控以及无线数据采集等的工程技 第二章系统通信与旋转刺激台控制方案设计 发周期短、开发成本低以及通信距离远等特点，因此本文设计将采用 n r f 技术 方案。 表 2 . 1蓝牙与 n r f 方案比较 短距离无线 数传方案 硬件设计接口方式编程 通信 速率 通信距离 开发 成本 蓝牙方案 山多个芯 片组成， 硬件复杂 复杂，时序 要求严格 通信协议复 杂， 需购买专 用开发系统 1 m b p s l o m 需专用 仪器 n r f 方案 多数元件 内置，外 围元件少 简便，只需 与 单 片 机 1 / 0或串口 连接 提供实用化 编程代码， 编 程简单 1 m b p s 室内 3 0 -4 0 m , 室外 8 0 -2 0 0 m 不 需 专 用仪器 2 . 2 . 2 r s - 2 3 2 串口无线通信系统方案设计 本文所要研究的通信系统包括r s - 2 3 2串口 通信和无线数据通信两部分， 如 图2 .3 所示。 p c机通过r s - 2 3 2 串口 与n r f 2 4 g 1 射频收发集成芯片通信， 基于 r s - 2 3 2 协议的串 行口 是计算机的标准接口， 其硬件简单， 易于操作， 从而成为 单片机应用系统与计算机短距离通讯的理想选择，由 于r s 2 3 2 协议采用的电 平 是士1 2 v ,因此在t t l 电 平的数字信号进入c o m 口 前应进行电平的转换 1 3 . 1 4 1 图2 . 3通信系统结构框图 长期以来，由于无线开发经验的缺乏，很大程度上阻碍了无线应用开发的 推广与普及。迅速发展起来的射频集成电路，以其先进性、工程性、实用性， 为从事无线数字视音频数据传输，无线遥测遥控以及无线数据采集等的工程技 西北工业大学硕士学位论文 术人员，解决无线应用的瓶颈提供了最大的可能。采用射频集成电路可以很大 程度上降低无线应用开发的周期和开发成本，使得无线开发变得简单和快捷。 p c机通过r s - 2 3 2 串日 与从机通信， 不仅要发送命令控制射频收发器的工 作模式，同时还要接收从机上传的数据，一般的实现方法为 p c机与单片机通 信，单片机控制射频收发器的工作模式，同时接收从机上传的数据，但是这里 单片机需要扩展串口，使之与 p c机和射频收发器两端都具有通信的能力，因 而 实 现 复 杂 1，一 ，71 n r f 2 4 e 1 是n o r d i 。 公司推出的一颗嵌入了高性能单片机内核的高速、 体积 小、功耗少、外围元件少的低成本单片射频收发芯片，即将单片机和射频收发 器集成在一体。 采用n r f 2 4 e 1 射频收发集成芯片， 使得系统具有数据传输速度 快、 可靠性高、 体积小、 功能易扩展等优点。该芯片外设少、 成本低、 干扰少、 功耗低， 保证了产品的技术稳定性，与蓝牙相比，n r f 2 4 e 1没有复杂的通信协 议， 完全对用户透明，同 种产品之间可以自 由 通信， n r f 2 4 e 1 嵌入2 . 4 g h z 无线 内核n r f 2 4 0 1 ，具有全球开放的2 .4 g i z 频段，使用1 .9 - 3 .6 v电源， 很方便电池 供电 1 8 , 19 1 。另外， n r f 2 4 e 1 拥有一个p w m口， 用它可以 方便的进行电 机调速， 从而可以对旋转刺激台进行控制。 2 . 3 旋转刺激台控制方案设计 根据转速是否变化，各类旋转机械可以分为恒速拖动机械和调速拖动机 械。 本课题要求， 旋转刺激台的 转速一般在5 0 - 1 5 0 r / m i n 之间，是可变速的。 因此，以调速电机为执行元件来控制刺激台的转速就成了必须的选择。 长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速拖动系统，因 此直流调速拖动系统一直在调速领域内占 据着统治地位。 随着生产技术的不断 发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机 的维护工作量加大，单机容量，最高转速以 及使用环境都受到限制。因此， 结 构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机调速便成为人们研究的 重点。 西北工业大学硕士学位论文 术人员，解决无线应用的瓶颈提供了最大的可能。采用射频集成电路可以很大 程度上降低无线应用开发的周期和开发成本，使得无线开发变得简单和快捷。 p c机通过r s - 2 3 2 串日 与从机通信， 不仅要发送命令控制射频收发器的工 作模式，同时还要接收从机上传的数据，一般的实现方法为 p c机与单片机通 信，单片机控制射频收发器的工作模式，同时接收从机上传的数据，但是这里 单片机需要扩展串口，使之与 p c机和射频收发器两端都具有通信的能力，因 而 实 现 复 杂 1，一 ，71 n r f 2 4 e 1 是n o r d i 。 公司推出的一颗嵌入了高性能单片机内核的高速、 体积 小、功耗少、外围元件少的低成本单片射频收发芯片，即将单片机和射频收发 器集成在一体。 采用n r f 2 4 e 1 射频收发集成芯片， 使得系统具有数据传输速度 快、 可靠性高、 体积小、 功能易扩展等优点。该芯片外设少、 成本低、 干扰少、 功耗低， 保证了产品的技术稳定性，与蓝牙相比，n r f 2 4 e 1没有复杂的通信协 议， 完全对用户透明，同 种产品之间可以自 由 通信， n r f 2 4 e 1 嵌入2 . 4 g h z 无线 内核n r f 2 4 0 1 ，具有全球开放的2 .4 g i z 频段，使用1 .9 - 3 .6 v电源， 很方便电池 供电 1 8 , 19 1 。另外， n r f 2 4 e 1 拥有一个p w m口， 用它可以 方便的进行电 机调速， 从而可以对旋转刺激台进行控制。 2 . 3 旋转刺激台控制方案设计 根据转速是否变化，各类旋转机械可以分为恒速拖动机械和调速拖动机 械。 本课题要求， 旋转刺激台的 转速一般在5 0 - 1 5 0 r / m i n 之间，是可变速的。 因此，以调速电机为执行元件来控制刺激台的转速就成了必须的选择。 长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速拖动系统，因 此直流调速拖动系统一直在调速领域内占 据着统治地位。 随着生产技术的不断 发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机 的维护工作量加大，单机容量，最高转速以 及使用环境都受到限制。因此， 结 构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机调速便成为人们研究的 重点。 第二章系统通信与旋转刺激台控制方案设计 小功率异步电动机， 通常指单相异步电 动机， 被广泛应用于家用电器和工 业的小功率驱动中，如空调、风机、水泵、冰箱等。因而，实现单相异步电动 机转速的连续调节是目前所要解决的问题。 电 力电子器件的飞速发展为交流调速奠定了物质基础。2 0 世纪7 0 年代以 后，功率晶体管( g t r ) 、门极可关断晶闸管( g t o 晶闸管) 、功率m o s 场效应晶体 管( p o w e r m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等新型电力电子器件先后问世。 这些全控型器件的应用， 使得逆变器构成简单、 结构紧凑a i g b t 更是兼有m o s f e t 和g t r 的 优点， 是 用于中 小 功 率目 前 最为 流 行的 器 件， 0 1 。目 前电 力电 子 器 件正 在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。己应用于交流调速的智能功率 模块i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ) 采用i g b t 作为功率开关， 含有电流传感 器、驱动电路、以及过载、短路、欠压保护电路。实现了故障诊断、自 我保护 等多种智能功能，既缩小了体积，减轻了重量，又提高了可靠性，使用、维护 都更加方便， 是功率器件的重要发展方向 z i l 随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得了飞速发展，变频调速 成为交流调速的主流，逐步淘汰了变极调速和变转差率调速。目前，全控型高 频率开关器件组成的脉宽调制( p w m ) 逆变器己取代普通晶闸管构成的方波形逆 变器，正弦脉宽调制( s p w m ) 逆变器及其专用芯片已得到普遍应用。 在变频技术日 新月异地发展的同时， 交流电动机控制技术也取得了突破性 进展。随着各种可以控制电 机调速的微处理机的出 现，微处理机被引入电 机控 制系统，从而促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。数字化技术大大简 化了 硬件，降低了 成本，提高了控制精度，而自 诊断功能和自 调试功能的实现 又进一步提高了系统可靠性， 节约了大量人力和时间， 操作、 维修都更加方便。 微机运算速度的提高、存储器的大容量化，将进一步促进数字控制系统取代模 拟控制系统，数字化己成为控制技术的方向。 本文对旋转刺激台的控制采用小功率的单相交流异步电动机控制， 电动机 调速采用微处理机数字控制的正弦脉宽调制变频调速。旋转刺激台控制方案框 图，如图2 . 4 所示。无线射频芯片n r f 2 4 e 1 负责接收转速指令，并将转速指令 西北工业大学硕士学位论文 转化成相应的s p w m 控制波，控制i p m 模块中的开关器件的开断。i p m 模块通过 开关器件的开断对电源进行变频变压，以 对电动机进行调速，从而实现对旋转 刺激台转速的控制。 图2 . 4旋转刺激台控制方案框图 在该方案中， 为了保持电 动机磁通恒定不便， 采用恒压频比的电动机控制 方式。因此，在电动机转速较低时，电压和频率都比较低，这样电动机定子阻 抗的压降就不能忽略， 从而导致磁通降低， 是一种浪费2 2 1 。本方案采用电 动机 无极调速和齿轮有级调速的方式，从而避免了电动机低速运转。 2 . 4 本章小结 1 、对目 前国内 外旋转信号传输的 几种方法进行了比 较， 提出了 用抗干扰 能力强、数据传输可靠性好的无线数字传输方式来传输旋转信号。 2 , n r f 数传技术相对于蓝牙数传技术，开发成本低、周期短、实现简单， 更符合本文的设计需要。 3 、无线硬件采用n r f 技术的高集成度射频芯片n r f 2 4 e 1 与下位机无线通 信，n r f 2 4 e 1 通过计算机的标准接1 -1 r s 2 3 2 串口与主控计算机通信。 4 ,电力电子技术的发展使交流调速成为可能，并且调速性能越来越好。 西北工业大学硕士学位论文 转化成相应的s p w m 控制波，控制i p m 模块中的开关器件的开断。i p m 模块通过 开关器件的开断对电源进行变频变压，以 对电动机进行调速，从而实现对旋转 刺激台转速的控制。 图2 . 4旋转刺激台控制方案框图 在该方案中， 为了保持电 动机磁通恒定不便， 采用恒压频比的电动机控制 方式。因此，在电动机转速较低时，电压和频率都比较低，这样电动机定子阻 抗的压降就不能忽略， 从而导致磁通降低， 是一种浪费2 2 1 。本方案采用电 动机 无极调速和齿轮有级调速的方式，从而避免了电动机低速运转。 2 . 4 本章小结 1 、对目 前国内 外旋转信号传输的 几种方法进行了比 较， 提出了 用抗干扰 能力强、数据传输可靠性好的无线数字传输方式来传输旋转信号。 2 , n r f 数传技术相对于蓝牙数传技术，开发成本低、周期短、实现简单， 更符合本文的设计需要。 3 、无线硬件采用n r f 技术的高集成度射频芯片n r f 2 4 e 1 与下位机无线通 信，n r f 2 4 e 1 通过计算机的标准接1 -1 r s 2 3 2 串口与主控计算机通信。 4 ,电力电子技术的发展使交流调速成为可能，并且调速性能越来越好。 第二章系统通信与旋转刺激台控制方案设计 旋转刺激台转速控制以单相交流异步电 动机作为执行元件，电 机输出转速经减 速箱变速后直接控制刺激台。电机调速采用微处理机无