基于nRF2401的光學在線檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、引言

　　加工與檢測是光學制造領(lǐng)域里兩個核心部分，光學加工所能達到的精度極大依賴于檢測技術(shù)水平的高低。長久以來，加工技術(shù)與檢測技術(shù)沿著各自的軌道發(fā)展，并達到了很高的技術(shù)水平，極大地提高了光學制造的效率與精度，滿足了國防與航空等高端技術(shù)方面的需求。但同時，加工與檢測技術(shù)也形成了一個個完善的、獨立的功能體，各功能體間不能直接相互通信，不能實現(xiàn)在線測試、在線數(shù)據(jù)處理、在線加工的一體化光學加工系統(tǒng)，這一個個獨立的功能實體形成了所謂的“信息化”孤島。在實際工作中則表現(xiàn)為檢測所產(chǎn)生的測試數(shù)據(jù)不能直接傳給數(shù)據(jù)處理中心，而必須借助某種存貯媒介 (如軟盤) 由人工輸進數(shù)據(jù)處理中心。這樣既不利于測試數(shù)據(jù)的傳輸，也不利于數(shù)據(jù)的存貯、處理及確保其安全。針對這種情況，本文設計了基于無線通信的檢測制造系統(tǒng)，實現(xiàn)了光學制造的在線檢測、在線數(shù)據(jù)處理、在線加工的一體化。

2、一體化加工系統(tǒng)運行模式及其結(jié)構(gòu)設計

　　要想實現(xiàn)在線檢測、在線數(shù)據(jù)處理的一體化加工系統(tǒng)，不同功能體之間數(shù)據(jù)自由通信與傳輸是其根本要求。在車間單元層上，主要由主控計算機、管理計算機等設備組成，它們通過企業(yè)內(nèi)部的以太網(wǎng)實現(xiàn)相互間的通信。對于工作站層，它運行在某個車間內(nèi)部，主要實現(xiàn)兩個功能，一個實現(xiàn)車間內(nèi)部各設備間的數(shù)據(jù)通信，另外它還負責車間底層設備與上層主控計算機間的通信，它充當了底層設備的代理。設備層由分布在車間各個不同方位的底層設備 (如檢測設備、加工設備) 組成。根據(jù)這三層運行模式的劃分，將當前先進的無線射頻通信技術(shù)引入到光學加工系統(tǒng)中，采用無線網(wǎng)絡通信具有以下幾個特點：良好的靈活性和移動性；安裝便捷；故障定位容易；易于進行網(wǎng)絡規(guī)劃和調(diào)整；易于擴展。該系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)功能圖如圖1所示。

3、嵌入式控制器及無線模塊功能分析

3.1 工作站及無線收發(fā)接口功能分析

　　工作站必須要具有將無線通信數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)互相轉(zhuǎn)換的功能。此外，由于車間檢測設備不止一臺，可能同時有多臺設備要求實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，因此工作站是個多任務工作系統(tǒng)，要具有良好的任務管理機制，以確保數(shù)據(jù)傳輸不沖突，同時，工作站還要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_、可靠、及時，有序。對于無線收發(fā)模塊，由于在車間底層，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，因而要求其具有較強的抗電磁干擾能力，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠。此外，還要求其通信距離不能太短，要滿足整個車間范圍內(nèi)的通信要求。

3.2 模塊化設計實現(xiàn)工作站及無線收發(fā)

　　本文采用模塊化方法來實現(xiàn)工作站功能的。將工作站在邏輯上分為兩部分：前部實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，該部和設備層的無線收發(fā)模塊一致。后部由一個具有資源管理的嵌入式控制器來管理多個數(shù)據(jù)傳送任務。由于底層設備大多具有標準串行接口，無線收發(fā)模塊主要實現(xiàn)無線射頻數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與控制。工作站的功能模型分析如圖2所示。

4、系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

4.1 無線模塊硬件設計

　　本文中所選擇的無線通信芯片是挪威Nordic公司的nRF2401無線芯片。它是一款非常適合于工業(yè)控制的無線通信芯片，它內(nèi)置點對多點的無線通信協(xié)議，可以很方便地實現(xiàn)任意兩個指定設備間的無線通信，此外，它的通信速率高達1Mbps，最遠通信距離高達1000M，抗干擾能力強，內(nèi)置硬件CRC檢錯功能。通過單片機C51控制可實現(xiàn)與外界設備間串行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收。無線模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
 

4.2 工作站硬件功能設計與實現(xiàn)

　　從3.2可知，工作站由兩部分組成：無線收發(fā)模塊和嵌入式控制器。無線收發(fā)模塊采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。至于嵌入式控制器，本文中選擇BL2600。BL2600是一款集網(wǎng)絡通訊和嵌入式控制于一體的嵌入式單板計算機，具有TCP/IP —— RS-232協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，同時支持合作式微操作系統(tǒng)及搶占式微操作系統(tǒng)(uC/OS-II)對系統(tǒng)任務、資源的管理與控制，能很好地實現(xiàn)多任務的管理。BL2600與無線收發(fā)模塊通過串口相連，其結(jié)構(gòu)連接圖如圖4所示。

5、系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

　　該在線測控系統(tǒng)軟件功能主要含有兩部分：BL2600的多任務管理模塊和基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)通信模塊。

5.1 BL2600多任務管理模塊

　　在系統(tǒng)的實現(xiàn)中，采用BL2600自帶的Dynamic C開發(fā)環(huán)境，使用合作式操作系統(tǒng)完成對工作站的多任務的管理與控制。在合作式操作系統(tǒng)的狀態(tài)控制下，網(wǎng)絡連接、串口監(jiān)聽、網(wǎng)絡發(fā)送、網(wǎng)絡接收、串口發(fā)送、串口接收等任務能有序地運行。BL2600與無線收發(fā)模塊間的串口數(shù)據(jù)通信可采用基于XON/XOFF的軟握手協(xié)議和基于RTS/CTS的硬握手協(xié)議。圖4顯示了串口傳輸基于軟握手協(xié)議時的連接圖。多任務管理模塊的程序流程圖圖5所示。

6、實驗驗證

　　為檢驗所設計的系統(tǒng)，本實驗分為兩步。首先進行模擬實驗(防止直接實驗對現(xiàn)場設備的破壞)，模擬實驗主要用主計算機自身的串口來模擬車間加工、檢測設備的串口，實驗原理圖如圖7所示。模擬實驗成功后，再進行現(xiàn)場實驗，圖8為現(xiàn)場實驗的一個截圖。兩實驗均表明，該在線檢測系統(tǒng)設計合理，運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正確、可靠。

7、結(jié)束語

　　本文將無線通信引入到光學檢測、加工車間，改變了了傳統(tǒng)光學檢測數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)的傳輸方式，實現(xiàn)了一種具有在線檢測、在線加工的一體化光學制造系統(tǒng)，為未來光學加工自動化奠定了很好的基礎(chǔ)，具有先進性。