基于nRF24L01的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)

摘要：提出一種基于nRF24L01的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，利用該系統(tǒng)對(duì)在線鋼絲繩進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果采用nRF24L01進(jìn)行無(wú)線傳輸，克服了有線傳輸?shù)膽?yīng)用弊端，解決了鋼絲繩惡劣的工作環(huán)境和其無(wú)損檢測(cè)有線傳輸方式的矛盾，提高了檢測(cè)精度?？梢员ＷC在役鋼絲繩的安全可靠，避免鋼絲繩更換的盲目性，做到按照鋼絲繩的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)知維修。并重點(diǎn)講述了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：nRF24L01；無(wú)線傳輸；無(wú)損檢測(cè)；鋼絲繩

    鋼絲繩是在各種工程應(yīng)用中應(yīng)用極為廣泛的一種撓性構(gòu)件。鋼絲繩作為牽引、承載的重要部件，一旦發(fā)生斷裂，后果將非常嚴(yán)重。因此，對(duì)鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，對(duì)于消除安全隱患有著至關(guān)重要的意義。隨著鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器不斷推出。但是因?yàn)殇摻z繩無(wú)損檢測(cè)要求的數(shù)據(jù)傳輸速率較高，所以目前在信號(hào)的傳輸方式上大多采用有線傳輸?？紤]到鋼絲繩工作環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，有線傳輸方式越來(lái)越難以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，本文提出了一種基于nRF24L01的無(wú)線傳輸方式下的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)方法。

1 鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
    鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和接收處理端組成。數(shù)據(jù)采集端系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要分為：傳感器模塊，A／D采集模塊，LM3S1 138處理器模塊，RF24L01無(wú)線模塊。其中傳感器部分采用華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)損檢測(cè)傳感器，該傳感器由2個(gè)霍爾元件和1個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器組成，輸出4路模擬信號(hào)，1路脈沖信號(hào)。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理模塊將4路模擬信號(hào)分離出4路交流信號(hào)和4路直流信號(hào)，分別代表鋼絲繩的損壞情況和粗細(xì)。在脈沖信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行采集，并將A／D轉(zhuǎn)化得到的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，最后利用SPI接口寫(xiě)入RF24L01模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。

    接收處理端系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要分為：RF24L01無(wú)線模塊，LM3S1138處理器模塊，PC機(jī)終端。PC機(jī)終端向LM3S1138處理器模塊發(fā)送開(kāi)始接收的命令，在LM3S1138處理器模塊收到PC機(jī)終端的命令后，啟動(dòng)RF24L01無(wú)線模塊，接收數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在接收到數(shù)據(jù)后，LM 3S1138處理器模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并通過(guò)串口或USB將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，PC機(jī)終端收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示等一系列操作。

1．2 無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)
    nRF24L01是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SehockBurst TM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。極低的電流消耗：當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)電流消耗為9 mA，接收模式時(shí)為12．3 mA。掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。無(wú)線傳輸速率可以達(dá)到2 Mb／s，傳輸距離可達(dá)50 m以上，加上功率放大模塊后，傳輸距離可以達(dá)到300 m以上，能夠滿足對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的近距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。
    圖3是基于nRF24L01芯片的無(wú)線收發(fā)模塊電路。圖中偏置電阻R2用來(lái)設(shè)置一個(gè)精確的偏置電流；C3，C4，L1和L2形成一個(gè)平衡轉(zhuǎn)換器，用以將nRF24L01上的差分RF端口轉(zhuǎn)換成單端RF信號(hào)；MOSI，MISO，SCK和CSN構(gòu)成SPI接口，用來(lái)對(duì)nRF24L01內(nèi)部寄存器的配置和數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)；CE信號(hào)用來(lái)控制nRF24L01的工作模式，IRQ用來(lái)指示nRF24L01的工作狀態(tài)。為了使芯片能夠穩(wěn)定工作，必須在芯片電源輸入端加上小的濾波電容，以得到高質(zhì)量的電源供電，從而使通信效果達(dá)到最佳。

1．3 LM3S1138處理器與nRF24L01接口設(shè)計(jì)
    nRF24L01通過(guò)4線SPI兼容接口(MOSI，MISO，SCK和CSN)配置，這個(gè)接口同時(shí)用作寫(xiě)和讀緩存數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)利用LM3S1138處理器的4個(gè)I／O口就可以對(duì)SPI接口進(jìn)行模擬。SPI接口是一種同步串行通信接口，CSN是芯片選擇管腳，當(dāng)該管腳為低電平時(shí)，SPI接口可以通信，反之不能通信。MOSI和MISO為數(shù)字傳輸管腳，MOSI用于數(shù)據(jù)輸入，MISO用于數(shù)據(jù)輸出。SCK為同步時(shí)鐘，在時(shí)鐘的上升沿或下降沿?cái)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被寫(xiě)入或讀出。具體SPI模擬接口的讀寫(xiě)代碼如下：
  
    其中：RF24L01_MOSI_1代表SPI的MOSI輸出高電平，RF24L01_MOSI_O代表SPI的MOSI輸出低電平，RF24L01_MISO表示SPI的MISO的輸出電平值，RF24L01_SCK_1，RF24L01_SCK_0分別代表SPI時(shí)鐘輸出高電平和低電平。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    通過(guò)軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒄麄€(gè)硬件系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。在近距離范圍內(nèi)不需要復(fù)雜的防干擾算法，只要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的封裝就可以。
2．1 數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)，軟件設(shè)計(jì)部分主要包括：LM3S1138的系統(tǒng)和接口配置，nRF24L01無(wú)線模塊的初始化，A／D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)，具體流程圖如4所示。

2．2 數(shù)據(jù)接收處理端軟件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)接收端的任務(wù)是按照PC終端的指令執(zhí)行數(shù)據(jù)接收和上傳的工作，軟件設(shè)計(jì)部分主要包括：LM3S1138系統(tǒng)和接口配置，nRF24L01無(wú)線模塊的初始化，PC終端命令解析，數(shù)據(jù)上傳，具體流程圖如圖5所示。

3 結(jié)論
    本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠和有線系統(tǒng)一樣實(shí)現(xiàn)無(wú)漏點(diǎn)的無(wú)損檢測(cè)，同時(shí)該系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，能夠應(yīng)用于各種惡劣工作環(huán)境下的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)，便于以后進(jìn)行多點(diǎn)系統(tǒng)集成和統(tǒng)一管理的特點(diǎn)，而且大大降低無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的成本和縮短施工周期。本文也為鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)提出了一種新的傳輸方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。