一種塔吊無線遙控系統方案 - 全文

　　在現有塔吊控制室控制的基礎上，結合微型計算機控制技術，本研究提出一種低功耗、自動CRC校驗碼、軟件編碼和硬件譯碼、接收器采用無記憶控制且具有高抗干擾能力和高可靠性的塔吊無線遙控系統，既保證了安全操作又大幅度提高了生產效率。

　　1 系統結構和功能概述

　　新型塔吊無線遙控系統包括發射器和接收器兩個部分，遙控系統結構，如圖1所示。發射器由鍵盤輸入電路、單片機、無線發射電路和天線等構成;接收器由接收天線、無線接收電路、單片機、三2八譯碼器、反相器、與非門、光電耦合器、繼電器等構成。其特點是系統的核心采用超低功耗的MSP430系列單片機，進而采用三2八譯碼器、反向器、與非門、光電耦合器以提高抗干擾能力和系統的可靠性。

　　圖1 系統結構

　　2 系統硬件電路設計

　　2. 1 發射電路

　　信號發射電路包括鍵盤、CPU 和數據發射部分，硬件原理，如圖2 所示。塔吊的控制量(上、下，左、右、前、后、低速、中速、高速、急停等)通過鍵盤輸入電路將相應控制信號送入單片機MSP430F135 的I/O口，經過單片機處理的信號通過其SP I口輸出到無線芯片nRF905,單片機協調整個系統的正常工作，同時對射頻芯片進行設置以確定其工作模式、工作頻率、傳輸速率等參數，輸出信號經過無線芯片的處理，送入無線發射部分發送至接收方。

　　MSP430單片機是TI 公司生產的一種超低功耗的混合信號控制器。這些微控制器可用電池工作，而且可以有很長的使用時間，器件在少于6μs的時間內可以從低功耗模式迅速喚醒。MSP430單片機內還集成了A /D轉換器、硬件乘法器、定時器、比較器等模塊。

　　圖2 發射器硬件原理圖

　　發射部分采用nRF905 芯片。nRF905 是挪威Nordic公司推出的單片射頻收/發器。工作電壓為1. 9~3. 6 V, 32引腳QFN封裝( 5 mm ×5 mm) ,工作于433 /868 /915 MHz 3個ISM頻道。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，不需外加聲表濾波器， ShockBurstTM 工作模式，自動處理字頭CRC (循環冗余碼校驗) ,使用SP I接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低。以10 dBm的輸出功率發射時電流只有11 mA,工作于接收模式時的電流為12. 5 mA,內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。nRF905提供了強大的跳頻機制以及大量的頻道支持，可以應用于許多特殊的場合。

　　2. 2 接收電路

　　接收電路與發送電路基本相同，只是無線芯片工作在接收模式。塔吊系統的可靠性要求高，為防止干擾引起接收電路誤動作，接收驅動輸出采用軟件編碼、硬件譯碼技術，即每個繼電器的動作對應一個數字編碼，該編碼經譯碼器譯碼輸出，輸出信號經光耦隔離和反相器驅動輸出控制繼電器的動作。這樣其他信號的輸出將被禁止，也消除了系統由于上電(或斷電)短暫時刻I/O口輸出不確定而引起的誤動作。

　　3 系統軟件設計

　　系統軟件包括發射器和接收器軟件。發射器和接收器軟件的功能劃分對遙控系統性能的影響很大，為提高系統可靠性，加快緊急故障出現時的恢復速度，所有控制的邏輯處理全部在發射器中實現，發射器的發送采用定時發送和中斷發送兩種方式：當有按鈕動作時，用中斷方式發送，在隨后的時間內按定時方式發送。接收器僅實現信號接收、譯碼和驅動輸出，當連續3次收不到信息時，接收器自動關閉所有輸出，恢復初始狀態。這樣做的優點是：

　　(1) 對發送器的按鈕控制的捕捉可靠。當中斷信號萬一丟失時，接收器失去控制而保持原來狀態，但隨后的定時發送的控制信息會作出相應的控制。

　　(2) 當射頻信號受到干擾或發射器出現故障而使接收器收不到控制信息時，接收器自動關閉所有輸出而恢復初始狀態，防止事故的擴大，同時可實現"發射器關閉或電能不足時，接收器自動關機".

　　3. 1 發射器軟件

　　發射器剛上電時，完成的初始化主要包括： I/O端口初始化、無線芯片配置、打開定時器和I/O 中斷使能。其余的功能主要在定時中斷和I/O中斷服務子程序中實現。中斷服務子程序的主要功能為：判斷各按鈕的狀態、按鈕狀態編碼、編碼狀態發送。MSP430微控制器和nRF905通過SP I口通訊的處理流程如下：

　　(1) 微控制器有數據要發送時通過SP I接口，按時序把接收機的地址和要發送的數據送傳給nRF905;

　　(2) 微控制器置高TRX _CE 和TX _ EN, 激發nRF905的ShockBurstTM發送模式;

　　(3) nRF905 按ShockBurstTM 發送： ①射頻寄存器自動開啟; ②數據打包(加字頭和CRC校驗碼) ;③發送數據包; ④當數據發送完成時，數據準備好引腳被置高。

　　(4) AUTO_RETRAN被置高， nRF905不斷重發，直到TRX_CE被置低;

　　(5) 當TRX_CE被置低， nRF905發送過程完成，自動進入待機模式。

　　發射器流程圖，如圖3所示。

　　圖3 發射器主程序流程圖

　　3. 2 接收端軟件

　　接收器上電初始化主要包括： I/O端口初始化、無線芯片配置、打開定時器和I/O中斷使能、繼電器輸出使能。其余的功能主要在I/O 中斷服務子程序中實現。nRF905進入接收模式后，不斷監聽接收信號。當收到載波信號時，發出CD中斷信號;當接收地址正確時，發出AM中斷信號;當接收數據正確時， nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把數據準備好引腳置高，發出DR中斷信號。微控制器中斷服務子程序通過SP I口讀取所實現的主要功能為：判斷各按鈕的狀態、按鈕狀態編碼、編碼狀態發送。MSP430微控制器通過SP I口讀取nRF905內的數據，接收端主程序流程圖，如圖4所示。