當(dāng)前位置:首頁(yè) > EDA > 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化
[導(dǎo)讀]摘要:使用SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和nRF905的挖掘機(jī)無(wú)線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),用于對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)挖掘動(dòng)作控制和行走操作控制等。該無(wú)線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作在433MHz的ISM頻段,能夠進(jìn)行雙向傳輸。

摘要:使用SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于FPGAnRF905的挖掘機(jī)無(wú)線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),用于對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)挖掘動(dòng)作控制和行走操作控制等。該無(wú)線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作在433MHz的ISM頻段,能夠進(jìn)行雙向傳輸。
關(guān)鍵詞:FPGA;SOPC;nRF905;無(wú)線通信

    液壓挖掘機(jī)在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸、水利電力工程、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著極為重要的作剛。對(duì)于某些不適合人類進(jìn)入的工作場(chǎng)所,如高溫、含有輻射物或裝卸危險(xiǎn)物品的場(chǎng)所下的挖掘任務(wù),以人手動(dòng)操作為主的傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)已不能勝任,液壓挖掘機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)化和智能化成為該類場(chǎng)所挖掘難題的最好解決方案。在液壓挖掘機(jī)的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,各種傳感器數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)具有關(guān)鍵作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    液壓挖掘機(jī)的無(wú)線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用上下位機(jī)雙層控制結(jié)構(gòu),上下位機(jī)之間采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊模式。上位機(jī)采用PC機(jī),主要完成遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理和運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃運(yùn)算等工作。下位機(jī)安裝于挖掘機(jī)上,采用Inter Control公司的機(jī)載電腦。MTC通過(guò)CAN總線傳輸各傳感器數(shù)據(jù)和油缸電磁閥開(kāi)口大小信號(hào),進(jìn)行挖掘機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)等。各傳感器、油缸電磁閥和機(jī)載電腦之間通過(guò)CAN總線通信。編程工具是工控領(lǐng)域常用的CoDeSvs。采用通訊頻段為433MHz、通訊最大距離為500m的無(wú)線數(shù)傳輸模塊nRF905進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。nRF905有4種工作模式:掉電模式、待機(jī)模式、發(fā)射模式、接收模式。無(wú)線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用FPGA作為通信控制模塊,使用SOPC技術(shù)搭建片上硬件系統(tǒng)。通信控制程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)。FPGA通過(guò)GPIO口控制nRF905的三組引腳:TX_EN、TRX_CE和PWR來(lái)設(shè)置nRF905不同的工作模式;載波儉測(cè)輸出CD、地址匹配輸出AM和數(shù)據(jù)就緒輸出DR用于通知FPGAnRF905的收發(fā)狀態(tài);SPI接口用于配置、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。



2 SOPC片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該單元主要功能是通過(guò)建立通信協(xié)議和對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的控制,準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地接收、存儲(chǔ)來(lái)自各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并傳送給上位機(jī)和MTC。
2.1 SOPC片上系統(tǒng)硬件構(gòu)成
    加入的SOPC組件和模塊主要有:NiosⅡ處理器,Avalon三態(tài)總線橋;外部SDRAM存儲(chǔ)器的控制器核;Flash類型的存儲(chǔ)器,用于存放程序和數(shù)據(jù);時(shí)間計(jì)數(shù)器核Interval timer;SPI核,用于實(shí)現(xiàn)SPI協(xié)議并提供Avalon接口;PIO接口用于連接nRF905的SPT接口和發(fā)出控制信號(hào),其管腳連接至FPGA的GPIO口。將所組成的系統(tǒng)進(jìn)行編譯后,可以下載到FPGA芯片上構(gòu)成片上控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。


2.2 SPI核配置
    nRF905射頻模塊和FGPA通過(guò)SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,該接口以主從方式工作,由以下四線組成:SCK (時(shí)鐘信號(hào),由主設(shè)備產(chǎn)生)、CSN(片選信號(hào),由主設(shè)備控制)、MOSI(主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出,從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入)、MISO(主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入,從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出) 通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)SPI接口與總線接口轉(zhuǎn)換,需要考慮的因素有:
    (1)接口時(shí)序 主要包括/SS與SCK的時(shí)序關(guān)系:/TREQ與/SS的時(shí)序關(guān)系;SCK與MOSI和MISO的時(shí)序關(guān)系,比如MOSI數(shù)據(jù)存SCK下降沿被從機(jī)采集接收,而MISO數(shù)據(jù)必須在SCK上升沿由從機(jī)輸出,在相鄰的下降沿被主機(jī)接收。
    (2)接口速率 nRF905無(wú)線收發(fā)芯片的最高工作速率為50kb/s。上位機(jī)端的控制軟件可以設(shè)置串口的工作速率,本設(shè)計(jì)中波特率設(shè)置為9600b/s。串口的波特率的每個(gè)字節(jié)加上起始位、停止位和奇偶校驗(yàn)位,經(jīng)計(jì)算,串口工作速率小于無(wú)線芯片的工作速率,因此可以采用nRF905轉(zhuǎn)發(fā)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。
    SOPC Builder內(nèi)部集成的NIOS II的SPI核可以實(shí)現(xiàn)SPI協(xié)議并提供與Avalon總線相連的接口。SPI核作為連接微處理器和控制設(shè)備的通信接口,可以實(shí)現(xiàn)主協(xié)議,也可以實(shí)現(xiàn)從協(xié)議。本系統(tǒng)將SPI核配置為主模式。SPI發(fā)送數(shù)據(jù)的順序根據(jù)nRF905的SPI數(shù)據(jù)傳輸要求,數(shù)據(jù)字的高位先發(fā)送。
2.3 片上系統(tǒng)通訊控制程序設(shè)計(jì)
    (1) FPGA半雙工雙向通信程序設(shè)計(jì)
    nRF905采用了Nordic公司的VLSI Shock Burst技術(shù),射頻數(shù)據(jù)包的高速信號(hào)處理都在芯片內(nèi)部進(jìn)行,并且自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼。由于nRF905為半雙工芯片,為了實(shí)現(xiàn)雙向通信,在程序設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮發(fā)送與接收的時(shí)間。為了提高運(yùn)行效率,可以采用Shock Burst RX直接到ShockBurst TX模式轉(zhuǎn)換或Shock Burst TX直接到ShockBurst RX的模式轉(zhuǎn)換,由于不需要再重新配置寄存器,保持了相同的頻道,因此轉(zhuǎn)換所消耗的時(shí)間最少,轉(zhuǎn)換時(shí)間為550μs。發(fā)送端數(shù)據(jù)采用單字節(jié)逐次移位的方式進(jìn)行傳輸。在發(fā)送完畢即直接從Shock Burst TX模式轉(zhuǎn)換為Shock Burst RX模式。為了確保收到信息,系統(tǒng)采用中斷的方式,通過(guò)數(shù)據(jù)就緒輸出DR置高米產(chǎn)生中斷,如果沒(méi)有收到則接收端仍然保持Shock Burst RX模式,發(fā)送端若一定時(shí)間收不到對(duì)方的信號(hào)則將上次發(fā)送的內(nèi)容再次發(fā)送,從而保證了接收端信息的可靠接收,實(shí)現(xiàn)了雙向通信。FPGA片上系統(tǒng)通信流程罔如圖3所示。


    (2) SOPC片上串口通信程序設(shè)計(jì)
    NIOSII的UART核可以設(shè)置所需的通信模式,比如波特率、偶校驗(yàn)、停止位、數(shù)據(jù)位和其他控制信號(hào)。系統(tǒng)選用的串口波特率為9600bps。采用1位起始位,8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。串口通信可以使用查詢的方式也可以使用中斷的方式。但是由于查詢的方式較為占用資源,所以本系統(tǒng)采用中斷的方式直接讀取寄存器。UART核能夠輸出一個(gè)單獨(dú)的中斷請(qǐng)求(IRQ)信號(hào)給Avalon總線,從而連接到Nios II處理器,通知FPGA將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至SPI接口。串口程序流程圖如圖4所示。



3 上下位機(jī)與FPGA間的串口程序設(shè)計(jì)
3.1 MTC方的串口通信設(shè)計(jì)
    Codesyrs進(jìn)行RS232通信編程,要用到以下四個(gè)函數(shù):SysComOpen,SysComSetSettings,SysComRead,SvsComWrite。編寫(xiě)程序方法類似C語(yǔ)言。
    SvsComOpen:打開(kāi)RS232通訊端口,MTC僅可選COM2,其余皆不可用。
    Buffm Address:當(dāng)讀取到數(shù)據(jù)后拷貝到變量BUFFER_DATA指向的地址內(nèi);
    Bvtes To Read:讀取多少個(gè)bytes。
    Buffer Address:發(fā)送數(shù)據(jù)所在地址。
3.2 PC方的串口通信設(shè)計(jì)
   PC的串口通信程序使用VC6.0編寫(xiě),使用Microsoft公司ActiveX控件MSComm。采用事件驅(qū)動(dòng)的辦法,每當(dāng)有數(shù)據(jù)由串口收到時(shí),就會(huì)觸發(fā)消息的響應(yīng)函數(shù)OnComm。即可由PC收取串口的數(shù)據(jù)。發(fā)送時(shí)可直接調(diào)用該控件發(fā)送。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)能夠低成本地設(shè)計(jì)出挖掘機(jī)無(wú)線傳輸系統(tǒng),較好地完成半雙工的挖掘機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸工作。采用SOPC設(shè)計(jì)挖掘機(jī)無(wú)線傳輸模塊的控制器能夠在軟硬件設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)模塊化,能夠大量地減輕研發(fā)工作量、提高研發(fā)速度。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開(kāi)發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開(kāi)幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉