基于MSP430和nRF905的塔吊無線遙控系統(tǒng)

　0 前 言

　　無線遙測產(chǎn)品的市場發(fā)展迅速，無線遙測技術(shù)已經(jīng)成為決定產(chǎn)品競爭力的一個重要因素。從發(fā)展的眼光來看，塔吊產(chǎn)品的無線化是大勢所趨，目前國內(nèi)建筑工程等行業(yè)使用的塔吊多屬控制室控制形式?？刂剖沂`、視線不清、環(huán)境惡劣或指揮配合不當(dāng)?shù)纫蛩亟钥尚纬墒鹿孰[患。國外同類產(chǎn)品價格太高，多為通用型產(chǎn)品，而我國大量的建筑施工中小型企業(yè)所使用的塔吊型號多，很難根據(jù)用戶提出的相關(guān)技術(shù)資料（機械電氣原理圖，工作機構(gòu)原理圖等）進行遙控改造，繼而結(jié)合實際需求，選定最佳的控制方案，亦即不適應(yīng)我國的市場需求特點。

　　在現(xiàn)有塔吊控制室控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合微型計算機控制技術(shù)，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(tǒng)，既保證了安全操作又大幅度提高了生產(chǎn)效率。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能概述

　　新型塔吊無線遙控系統(tǒng)包括發(fā)射器和接收器兩個部分，遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。發(fā)射器由鍵盤輸入電路、單片機、無線發(fā)射電路和天線等構(gòu)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(gòu)成。其特點是系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2. 1 發(fā)射電路

　　信號發(fā)射電路包括鍵盤、CPU 和數(shù)據(jù)發(fā)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(yīng)控制信號送入單片機MSP430F135的I/O口，經(jīng)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(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的正常工作，同時對射頻芯片進行設(shè)置以確定其工作模式、工作頻率、傳輸速率等參數(shù)，輸出信號經(jīng)過無線芯片的處理，送入無線發(fā)射部分發(fā)送至接收方。

　　MSP430單片機是TI公司生產(chǎn)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(nèi)可以從低功耗模式迅速喚醒。MSP430單片機內(nèi)還集成了A /D轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器、定時器、比較器等模塊。

圖2 發(fā)射器硬件原理圖

　　發(fā)射部分采用nRF905 芯片。nRF905 是挪威Nordic公司推出的單片射頻收/發(fā)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(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)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(huán)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(fā)射時電流只有11 mA,工作于接收模式時的電流為12. 5 mA,內(nèi)建空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能。nRF905提供了強大的跳頻機制以及大量的頻道支持，可以應(yīng)用于許多特殊的場合。

　　2. 2 接收電路

　　接收電路與發(fā)送電路基本相同，只是無線芯片工作在接收模式。塔吊系統(tǒng)的可靠性要求高，為防止干擾引起接收電路誤動作，接收驅(qū)動輸出采用軟件編碼、硬件譯碼技術(shù)，即每個繼電器的動作對應(yīng)一個數(shù)字編碼，該編碼經(jīng)譯碼器譯碼輸出，輸出信號經(jīng)光耦隔離和反相器驅(qū)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(tǒng)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(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件包括發(fā)射器和接收器軟件。發(fā)射器和接收器軟件的功能劃分對遙控系統(tǒng)性能的影響很大，為提高系統(tǒng)可靠性，加快緊急故障出現(xiàn)時的恢復(fù)速度，所有控制的邏輯處理全部在發(fā)射器中實現(xiàn)，發(fā)射器的發(fā)送采用定時發(fā)送和中斷發(fā)送兩種方式：當(dāng)有按鈕動作時，用中斷方式發(fā)送，在隨后的時間內(nèi)按定時方式發(fā)送。接收器僅實現(xiàn)信號接收、譯碼和驅(qū)動輸出，當(dāng)連續(xù)3次收不到信息時，接收器自動關(guān)閉所有輸出，恢復(fù)初始狀態(tài)。這樣做的優(yōu)點是：

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

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

　　3. 1 發(fā)射器軟件

　　發(fā)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(wù)子程序中實現(xiàn)。中斷服務(wù)子程序的主要功能為：判斷各按鈕的狀態(tài)、按鈕狀態(tài)編碼、編碼狀態(tài)發(fā)送。MSP430微控制器和nRF905通過SP I口通訊的處理流程如下：

　?。?） 微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時通過SP I接口，按時序把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905;

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

　　（3） nRF905 按ShockBurstTM 發(fā)送： ①射頻寄存器自動開啟； ②數(shù)據(jù)打包（加字頭和CRC校驗碼） ;③發(fā)送數(shù)據(jù)包； ④當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成時，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高。

　?。?） AUTO_RETRAN被置高， nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低；

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

　　發(fā)射器流程圖，如圖3所示。

圖3 發(fā)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(wù)子程序中實現(xiàn)。nRF905進入接收模式后，不斷監(jiān)聽接收信號。當(dāng)收到載波信號時，發(fā)出CD中斷信號；當(dāng)接收地址正確時，發(fā)出AM中斷信號；當(dāng)接收數(shù)據(jù)正確時， nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳置高，發(fā)出DR中斷信號。微控制器中斷服務(wù)子程序通過SP I口讀取所實現(xiàn)的主要功能為：判斷各按鈕的狀態(tài)、按鈕狀態(tài)編碼、編碼狀態(tài)發(fā)送。MSP430微控制器通過SP I口讀取nRF905內(nèi)的數(shù)據(jù)，接收端主程序流程圖，如圖4所示。

圖4 接收器主程序流程圖

　　4 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)采用超低功耗MSP430單片機和低功耗無線收發(fā)芯片nRF905實現(xiàn)了塔吊無線遙控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了軟件編碼和硬件譯碼的方式、系統(tǒng)發(fā)射器采用定時掃描、接收器采用無記憶輸出控制方式以及電氣互鎖等技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于塔吊等一般工業(yè)遙控系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的功能在實踐中得到了應(yīng)用與驗證。