基于nRF24L01和Actel FPGA的智能探測系統(tǒng)設(shè)計

   摘要：設(shè)計了基于nRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸芯片和Fusion StartKit開發(fā)板的智能探測系統(tǒng)。通過開啟nRF24L01的ACK PAYLOAD功能實現(xiàn)車載系統(tǒng)與上位機之間的雙向通信，采用Actel公司帶有APB3總線的8051S軟核在Fusion StartKit開發(fā)板上構(gòu)建片上系統(tǒng)，使用MFC編寫Windows環(huán)境下的人機交互界面，實現(xiàn)了具有實時數(shù)據(jù)傳送、自動避障、遠程操控等功能的智能探測系統(tǒng)。

　　目前一些惡劣或危險的環(huán)境人類仍然無法置身其中進行現(xiàn)場檢測，如出現(xiàn)險情的礦井地道、地形崎嶇的巖洞等，很難取得現(xiàn)場的參數(shù)。在這種情況下只有借助于智能探測裝置。因智能小車控制方便、行動靈活，對比其他載體工具更容易勝任探測任務(wù)，因此成為各種探測儀器的首選工具。

　　本文設(shè)計的智能探測系統(tǒng)以小車為載體，將所測得的現(xiàn)場參數(shù)通過nRF24L01無線模塊實時傳回上位機，具有快速靈活的特點；在實際工作時可左右轉(zhuǎn)向和后退，自動躲避障礙物；同時該小車操控方便，可通過MFC搭建的人機交互界面利用鼠標(biāo)和鍵盤對小車進行遠程控制。

　　1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　該系統(tǒng)基于Actel FPGA實現(xiàn)，采用兩塊Fusi。nStartkit開發(fā)板，一塊作為車載控制板，另一塊作為中轉(zhuǎn)板。車載控制板負責(zé)采集溫度、濕度、板載電壓、當(dāng)前路況以及人體檢測等現(xiàn)場信息，驅(qū)動小車運行，同時通過無線發(fā)送現(xiàn)場信息以及接收上位機的控制命令。中轉(zhuǎn)板負責(zé)將接收到的無線信號通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給PC機，同時將PC機由串口返回的控制指令利用無線模塊發(fā)送給車載控制板。PC機上采用MFC編寫人機交互界面，顯示小車所在環(huán)境的相關(guān)信息，同時提供鼠標(biāo)、鍵盤等完善的操控手段。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2、系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2、1無線數(shù)據(jù)傳輸芯片nRF24L01

　　2.1.1芯片簡介H

　　nRF24L01是挪威NorDic公司的單片2．4 GHz無線收發(fā)一體芯片，有多達125個頻道可供選擇，支持1 Mb／s和2 Mb／s傳輸速率。該芯片采用SPI接口進行數(shù)據(jù)讀寫和參數(shù)配置，以寄存器映射方式對各個寄存器進行管理，同時具有自動重傳、動態(tài)有效信息長度（DPL）、應(yīng)答信號攜帶有效信息（ACK PAYLOAD）等高級功能。

　　2.1.2功能

　　動態(tài)有效信息長度（DPL）指的是發(fā)送端的nRF24L01芯片通過寫人有效數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)長度決定當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)的大小，而接收端則通過接收到的數(shù)據(jù)幀中的控制域信息而不是寄存器中定義的數(shù)據(jù)長度提取有效數(shù)據(jù)。這個功能極大地提高了無線信道的使用率，同時減少了冗余數(shù)據(jù)的傳播，降低了數(shù)據(jù)在空中滯留的時間和數(shù)據(jù)被污染的概率。配合nRF24L0l的CRC校驗和自動重傳功能，在有效地降低數(shù)據(jù)誤碼率的同時保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性。

　　應(yīng)答信號攜帶有效信息（ACK PAYLOAD）指nRF24L01芯片在開啟自動重傳和DPL的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的雙向通信功能。圖2為一對無線模塊之間的一次攜帶應(yīng)答有效信息的數(shù)據(jù)傳輸過程。主發(fā)送模塊（PTX）發(fā)送完第1幀數(shù)據(jù)后，自動置為接收模式，等待主接收模塊（PRX）發(fā)送應(yīng)答信號或攜帶有效數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號。主接收模塊收到主發(fā)送模塊發(fā)送的第1個數(shù)據(jù)幀后，若此時有需要附加的有效數(shù)據(jù)，則在發(fā)送完ACK信號后繼續(xù)發(fā)送有效數(shù)據(jù)。而主發(fā)送模塊收到ACK信號后繼續(xù)接收有效信號，直到空中沒有殘留的無線信號再開始發(fā)送第2幀信號。

　　使用ACK PAYLOAD可以實現(xiàn)車載系統(tǒng)和PC機的雙向通信，該功能很好地解決了手動切換無線收發(fā)狀態(tài)導(dǎo)致雙方互相等待的問題，同時只在需要對車載控制板進行控制的時刻附帶應(yīng)答有效信息，可以減少不必要的通信過程，大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖2攜帶ACK PAYLOAD的1次數(shù)據(jù)傳輸示意圖

　　2.1.3實現(xiàn)功能的配置方法

　　要實現(xiàn)nRF24L01的ACK PAYLOAD功能需要經(jīng)過以下步驟：首先進行無線模塊的基本配置，包括發(fā)送接收模式的選擇（CONFIG）、開啟自動重傳功能（EN_AA）、接收地址使能（EN_ADDR）、設(shè)置重傳時問不為零（SET－UP RETR）等；然后同時開啟DPL和ACK PAYLOAD功能，要實現(xiàn)這兩個功能，必須在完成第一步之后用nRF24L01白帶的ACTIVATE命令加上0x73數(shù)據(jù)開啟默認隱藏的兩個寄存器FEATURE和DYNPD。通過對這兩個寄存器的設(shè)置就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信。但要注意，接收端開啟DPL后要使用R_RX PL WID命令讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的有效數(shù)據(jù)長度，同時使用W ACK PAY－LOAD命令將ACK PAYLOAD寫入FIFO。

　　2.2 Core 80515架構(gòu)

　　Core 8051S是Actel公司推出的基于APB3總線的8051lP核，兼容8051的全部指令，同時又具備許多51單片機所沒有的獨特功能：

　　（1）具有可配置的JTAG接口調(diào)試功能，可利用Flash_Pro下載器作為其調(diào)試工具；優(yōu)化指令執(zhí)行速度，內(nèi)部設(shè)置流水線，可實現(xiàn)單個時鐘周期執(zhí)行一條指令，且是普通51單片機的12倍。

　?。?）采用APB3外設(shè)總線結(jié)構(gòu)和SER寄存器內(nèi)存映射方式管理外設(shè)，將外部擴展的64 KB數(shù)據(jù)空間中的最高4 KB作為APB3外設(shè)的寄存器內(nèi)存映射地址，每個APB3外設(shè)占據(jù)256 B的地址，因此最多可添加16個外設(shè)。

　?。?）使用CoreConsole軟件以圖形化界面的方式添加Core8051S以及其他外設(shè)，既直觀又方便。

　　圖3是以CoreConsole開發(fā)的、基于Core805lS和APB3總線的50PC系統(tǒng)的典型架構(gòu)。該軟件的開發(fā)流程與Altera公司基于NIOS Ⅱ處理器的soPc開發(fā)流程類似，同時又具有其獨特優(yōu)勢：在系統(tǒng)不復(fù)雜、控制部分遠多于計算處理時，使用Core805⊥s可靈活迅速地進行開發(fā)，通過安裝ISA—Actel5 1為Keil提供調(diào)試驅(qū)動可直接使用Keil編寫代碼并進行在線程序調(diào)試，而優(yōu)化后的指令執(zhí)行速度可滿足大部分應(yīng)用的要求。

圖3 CoreConsole下基于Core8051S的開發(fā)實例

　　本系統(tǒng)設(shè)計步驟：

　?。?）利用CoreConsole以圖形化方式設(shè)計片上系統(tǒng)所需的總線及外設(shè)，包括SPI、PWM、GP10、UART等模塊；配置各模塊與APB3總線之間的連接關(guān)系，正確分配外設(shè)地址；然后生成．Ⅴ文件導(dǎo)人Actel集成開發(fā)環(huán)境Libero。

　?。?）使用Libero的Flash Memory System Builder將Fu_S10n內(nèi)部的Flash模塊配置為Core8051S的外部程序空問。如果有必要還可以將Fusi。n StartKit開發(fā)板上的SRAM作為Core8051S的外部數(shù)據(jù)空間使用。

　?。?）將工程編譯綜合后下載到開發(fā)板上，通過Keil編寫程序并進行調(diào)試。

　　3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3．1車載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　車載系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心部分，它擔(dān)負著現(xiàn)場環(huán)境探測，遠距離數(shù)據(jù)傳輸以及未知區(qū)域檢測等重要功能。因此該部分的設(shè)計對可靠性和穩(wěn)定性要求較高。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

圖4車載控制系統(tǒng)流程圖

　　車載系統(tǒng)軟件包含兩部分功能：采集現(xiàn)場各種參數(shù)和實現(xiàn)各種運行模式。通過溫濕度傳感器和人體紅外傳感器采集溫濕度值以及現(xiàn)場環(huán)境是否有人信號；通過無線返；回參數(shù)決定當(dāng)前小車的運行模式，包括自動運行模式、半遙控模式和全遙控模式。自動運行模式下小車會根據(jù)采集到的光電對管組信息分析當(dāng)前的路況，從而作出相應(yīng)運行路徑修正處理；半遙控模式下通過鼠標(biāo)控制Windows界面的參數(shù)來控制小車的行動；全遙控模式下通過操控鍵盤可直接操控小車運行。

　　車載系統(tǒng)自動運行時，通過內(nèi)部算法進行路徑選擇和障礙規(guī)避。由于光電對管組信息相對較少，故采用查表映射法進行舵機電機驅(qū)動控制，即將光電對管組采集到的信息進行分類，根據(jù)不同的信息賦予小車不同的電機和舵機驅(qū)動值，而光電對管組采集得到的信息為6 bit數(shù)據(jù)，也就是數(shù)值為0～63，將其作為數(shù)組的下標(biāo)，在數(shù)組內(nèi)容中根據(jù)下標(biāo)所表征的類型設(shè)置不同的經(jīng)驗值，通過大量的運行測試即可得到比較理想的參數(shù)。車載系統(tǒng)檢測到小障礙物時，查表得到舵機電機參數(shù)，轉(zhuǎn)過一定角度繞開障礙物繼續(xù)運行；檢測到較大障礙物且無法繞過時，車載系統(tǒng)倒車回到安全區(qū)域繼續(xù)運行。

　　由于光電對管組存在干擾信號，在算法上進行了如下濾波處理：利用記憶功能將前幾次的行進路線保存，通過與當(dāng)前輸出狀態(tài)的比對，判斷是否為干擾信息以決定是否摒棄當(dāng)前控制量。

　　以上算法保證了車載系統(tǒng)在運行中出錯概率降到最低。

　　3．2人機交互界面設(shè)計

　　A機交互界面是采用微軟基礎(chǔ)類（MFC）開發(fā)的基于對活框架構(gòu)的應(yīng)用程序。采用CMSComm類處理中轉(zhuǎn)板與PC之間的串口通信，同時通過截獲軟件系統(tǒng)的消息傳遞函數(shù)來實現(xiàn)對鍵盤值的判斷。

　　本文詳細介紹了nRF24L01無線芯片的DPL和ACKPAYLOAD等功能，實現(xiàn)了車載系統(tǒng)與上位機之間的雙向通信，使用Actel公司的CoreConsole工具構(gòu)建SoPC片上系統(tǒng)，同時設(shè)計了PC機上人機交互界面，完善了系統(tǒng)的運行和控制，實現(xiàn)了具有實時數(shù)據(jù)傳送、自動避障、遠程操控等功能的智能探測系統(tǒng)。