專利名稱：架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)，屬于工業(yè)控制、無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，無(wú)線技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域。從最早的傳呼機(jī)、無(wú)繩電話、手機(jī)到藍(lán)牙耳機(jī)等，可以說(shuō)無(wú)線技術(shù)無(wú)處不在。在工業(yè)控制領(lǐng)域，自六十年代初期，人們就利用拖纜遙控裝置來(lái)控制許多工業(yè)設(shè)備。無(wú)線遙控設(shè)備的廣泛需求促進(jìn)了無(wú)線遙控技術(shù)飛速發(fā)展；今天，特別在工程機(jī)械領(lǐng)域，幾乎所有的設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控的操作。架橋車(chē)是一種用于完成重型大跨度的臨時(shí)橋梁設(shè)備的運(yùn)載、架設(shè)和撤收的特殊運(yùn)輸工具。但是此設(shè)備空間跨度大、機(jī)械動(dòng)作多、工作環(huán)境復(fù)雜，這就給在操控室里的操作人員帶來(lái)了諸多的不便和困擾。如果通過(guò)有線的遙控方式進(jìn)行控制，則電纜的鋪設(shè)難度和安·全隱患都會(huì)凸顯出來(lái)。因此，完全可以應(yīng)用工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)改進(jìn)其架橋工作的控制方式，可以讓操作者尋求最佳的觀測(cè)視角和最優(yōu)的工作環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)最有效率的橋梁架設(shè)工作。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)主要由手持端發(fā)射器和接收端接收器兩部分組成。發(fā)射端主要由用戶輸入部分、微控制模塊和無(wú)線發(fā)射模塊等構(gòu)成。其中，用戶輸入部分由開(kāi)關(guān)量輸入和模擬量輸入組成，反映在操控面板上則是用戶操控按鍵和操縱桿；微控制模塊一般以單片機(jī)為核心，其主要功能是不斷掃描用戶輸入系統(tǒng)，并將獲取的按鍵狀態(tài)送往無(wú)線發(fā)射模塊；無(wú)線發(fā)射模塊則是將從微控制模塊接收到的信息進(jìn)行編碼等處理后以無(wú)線電波的形式發(fā)射出去。接收端主要由無(wú)線接收模塊、微控制模塊和繼電器(控制器)組成。微控制模塊和無(wú)線接收模塊的功能和發(fā)射端的相同；而繼電器驅(qū)動(dòng)模塊的功能則是控制受控機(jī)械設(shè)備的控制線路，充當(dāng)著整個(gè)系統(tǒng)控制器的角色，以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的無(wú)線控制。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中尤其是移動(dòng)型設(shè)備，如果采用無(wú)線遙控系統(tǒng)，可以極大改善操作員的控制視角和工作環(huán)境，避免因環(huán)境惡劣或者指揮不當(dāng)而埋下事故隱患，保證了作業(yè)的高效率和安全性。傳統(tǒng)工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)已能夠基本上適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，但是其還存在著諸多缺陷手持發(fā)射器的操作面板的空間不能得到充分利用現(xiàn)有手持發(fā)射器的用戶輸入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本上采用獨(dú)立按鍵或者矩陣鍵盤(pán)，此方案占用了較多的主芯片的端口資源。手持發(fā)射器的功耗偏高。整個(gè)系統(tǒng)的可靠性不高收發(fā)端之間的信息互動(dòng)不夠完善，用戶從操作面板上能獲取的直觀信息很少，使操作者對(duì)控制狀態(tài)的了解不到位；大多數(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控器產(chǎn)品其接收端的微控制模塊輸出端口采用繼電器作為控制器來(lái)控制機(jī)械動(dòng)作。但是一般來(lái)說(shuō)整個(gè)系統(tǒng)的工作環(huán)境較為惡劣，這種控制方式很容易導(dǎo)致繼電器誤導(dǎo)通而導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作。系統(tǒng)的移植性不強(qiáng)。目前我國(guó)對(duì)遙控工程機(jī)械的研究還很少，市場(chǎng)幾乎都由歐洲品牌所壟斷。所以，開(kāi)展對(duì)工業(yè)無(wú)線遙控裝置的研究，研制出自主品牌的高可靠性、高智能型和性價(jià)比高的工業(yè)無(wú)線遙控產(chǎn)品有很大的迫切性，并且具有廣闊的市場(chǎng)前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以架橋車(chē)為應(yīng)用對(duì)象，針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)有的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)了一種較為新穎的工業(yè)微波無(wú)線控制系統(tǒng)——架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅能夠應(yīng)用于架橋車(chē)，通過(guò)簡(jiǎn)單的改裝也能移植于其它工程機(jī)械以實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制，具有一定的可推廣性。本發(fā)明架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)，包括手持發(fā)射端和安裝于架橋車(chē)的接收端，發(fā)射端包括用戶輸入系統(tǒng)，第一微控制模塊、第一復(fù)位電路、接口電路、無(wú)線發(fā)射模塊以及提供電源的電源模塊，接收端包括無(wú)線接收模塊、第二微控制模塊、第二復(fù)位電路、控制器和RS485/RS232接口，用戶輸入系統(tǒng)的輸出端接第一微控制模塊的輸入端，接口電路分別 與第一微控制模塊和無(wú)線發(fā)射模塊雙向通信，第一復(fù)位電路的輸出端分別接第一微控制模塊和無(wú)線發(fā)射模塊的輸入端，無(wú)線發(fā)射模塊通過(guò)天線與無(wú)線接收模塊無(wú)線連接，RS485/RS232接口分別與第二微控制模塊和控制器雙向通信，第二復(fù)位電路分別與無(wú)線接收模塊和第二微控制模塊的輸入端連接。所述微控制模塊采用型號(hào)為AT89LV51的CPU。所述復(fù)位電路采用型號(hào)為T(mén)PS3823-33DBVT的芯片。所述無(wú)線發(fā)射和接受模塊由射頻收發(fā)芯片CC1020和控制器ATmegaSL組成。本系統(tǒng)選用微波無(wú)線遙控方式，以PLC作為無(wú)線控制系統(tǒng)的控制器，改善了指令執(zhí)行可靠性和智能性；使用鎖存器和譯碼器設(shè)計(jì)了一種較為獨(dú)特的用戶輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)手持發(fā)射端操作面板的指令輸入量的占有率有所提高，縮小了發(fā)射端的體積；收發(fā)端專門(mén)設(shè)置了有線電纜通信接口，完善了系統(tǒng)的應(yīng)急處理能力和抗電磁干擾能力；無(wú)線通信模塊在高斯移頻鍵控(GFSK)調(diào)制方式的基礎(chǔ)上，采用線性分組碼中的循環(huán)碼(BCH)進(jìn)行信道編碼，其抗干擾能力較強(qiáng)；無(wú)線通信模塊采用了較為簡(jiǎn)易的頻率跳變方案，提升了無(wú)線信道對(duì)抗固定頻率干擾的能力；收發(fā)端預(yù)置了充分的信號(hào)指示燈，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)端的實(shí)時(shí)通信和動(dòng)態(tài)反饋，讓操作者使用本系統(tǒng)時(shí)更加直觀、安全。本系統(tǒng)采用手持發(fā)射器的報(bào)警技術(shù)和收發(fā)端之間的動(dòng)態(tài)反饋應(yīng)答技術(shù)，讓用戶操作更直觀；采用系統(tǒng)開(kāi)機(jī)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和緊急情況系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位技術(shù)，讓用戶施工更加安全；同時(shí)在接收端系統(tǒng)采用PLC改進(jìn)接收端的輸出控制方式，以更好地提高系統(tǒng)抗干擾性和應(yīng)用便捷性。本發(fā)明給出了整個(gè)架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，主要包括系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，確定了系統(tǒng)硬件的各組成模塊。整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成模塊化清晰，方便系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。同時(shí)介紹了架橋車(chē)微波無(wú)線控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法，給出了系統(tǒng)發(fā)射端的通信主程序的流程圖和幾個(gè)重要子程序的設(shè)計(jì)思路，為了檢測(cè)無(wú)線信道是否暢通，給出了收發(fā)端實(shí)時(shí)通信的編程思路；介紹了 PLC的編程方法和無(wú)線通信模塊射頻芯片的寄存器配置方法，重點(diǎn)介紹了基于前向糾錯(cuò)方式下的BCH信道編碼方法，并給出了其流程圖。本工業(yè)微波無(wú)線控制系統(tǒng)主要是為架橋車(chē)而設(shè)計(jì)，對(duì)于其它類(lèi)似的工程機(jī)械也可推廣使用。


圖I是發(fā)射端的硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖2是9. OV降到5. OV的電壓轉(zhuǎn)換電路；圖3是5. OV降到3. 3V的電壓轉(zhuǎn)換電路；圖4是AT89LV51端口功能分配圖；圖5是微控制模塊原理圖；圖6是鍵盤(pán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框·
圖7是AD7829BRU功能端口連接圖；圖8是帶看門(mén)狗功能的復(fù)位電路圖；圖9是RS232接口電路圖；圖10是RS485接口電路圖；圖11 是 CC1020 與 ATmega8L 接口 示意圖；圖12是接收端的硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖13是微控制模塊擴(kuò)展接口框圖；圖14是發(fā)射端的通信主程序流程圖；圖15是串口接收中斷程序(左)和定時(shí)中斷程序(右)流程圖；圖16是無(wú)線通信模塊數(shù)據(jù)接收流程 圖17是無(wú)線通信模塊數(shù)據(jù)發(fā)送流程 圖18是PLC的接收程序流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明主要由手持發(fā)射端和安裝于架橋車(chē)的接收端組成，發(fā)射端和接收端之間通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行通信。整個(gè)系統(tǒng)的大體工作原理如下手持發(fā)射端通過(guò)開(kāi)關(guān)按鍵或者操縱桿的操作發(fā)出指令，發(fā)射端CPU掃描到該指令信號(hào)后將其編碼，并將指令編碼通過(guò)串口送到無(wú)線發(fā)射模塊，由無(wú)線發(fā)射模塊以無(wú)線電波的形式發(fā)送出去。接收端的無(wú)線接收模塊接收由發(fā)射端發(fā)出的電波，電波經(jīng)過(guò)解碼還原成指令編碼后送到控制器，控制器按照約定的協(xié)議校對(duì)指令編碼，尋找相應(yīng)的指令程序并執(zhí)行，最終觸發(fā)相應(yīng)的控制點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)距離對(duì)架橋車(chē)架橋動(dòng)作的操控。發(fā)射端模塊如圖I所示，發(fā)射端的工作流程如下當(dāng)檢測(cè)到有用戶控制信號(hào)輸入時(shí)，微控制模塊通過(guò)串口接口送出相應(yīng)指令信號(hào)到無(wú)線通信模塊，然后經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制將信號(hào)以高頻形式發(fā)射出去。整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊對(duì)供電電池進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，由復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)復(fù)位和外部看門(mén)狗功能，通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。發(fā)射端主要由電源模塊、用戶輸入系統(tǒng)、微控制模塊、復(fù)位電路、接口電路和無(wú)線通信模塊等構(gòu)成。電源模塊本系統(tǒng)的手持發(fā)射器由一節(jié)9v鎳氫電池供電，電池的電壓在使用過(guò)程中會(huì)逐漸降低，從而導(dǎo)致供電電壓不夠穩(wěn)定；手持發(fā)射器的各種芯片所需的供電電壓都是3. 3v，因此，必須解決電壓轉(zhuǎn)換問(wèn)題。本系統(tǒng)采用了三端穩(wěn)壓集成電路L7805CV和AMSl117-3. 3進(jìn)行兩級(jí)電壓轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了小體積、轉(zhuǎn)換電壓穩(wěn)定的電源模塊設(shè)計(jì)。首先使用L7805CV將電池電壓降到5. Ov,當(dāng)輸入電壓為9v時(shí)，輸出電壓為4. 8v 5. 2v，輸出電流為100mA?？紤]到L7805CV長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中的發(fā)熱情況，還設(shè)置了散熱片。同時(shí)還在電路中加入了壓敏電阻7D220和瞬間電壓抑制二極管Dl來(lái)防止輸入電壓突變；電路如圖2所示。AMSl117-3. 3的參數(shù)特性輸入電壓為4. 75v 12v，輸出電流為1A，輸出電壓3. 3v，滿足手持發(fā)射器各個(gè)芯片的電壓和系統(tǒng)功率的需求。如圖3所示，為了使電路穩(wěn)定，本系統(tǒng)在AMSl117-3. 3的輸入輸出端都加了電解電容和陶瓷電容來(lái)穩(wěn)定電壓，還增加了信號(hào)燈來(lái)作為電源工作指示。微控制模塊微控制模塊主要完成對(duì)模擬和開(kāi)關(guān)控制量的掃描、編碼并傳送給無(wú)線發(fā)射模塊，本發(fā)明選用AT89LV51作為微控制模塊的CPU，它是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)，采用了 CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失存儲(chǔ)器(NVRAM)技術(shù)，其引腳和指令系·列都與MCS-51兼容。本系統(tǒng)采用能夠通過(guò)中斷請(qǐng)求喚醒的空閑模式來(lái)實(shí)現(xiàn)微控制模塊的低功耗目標(biāo)。系統(tǒng)單片機(jī)的端口功能分配如圖4所不。由以上的AT89LV51端口功能分配圖可知，微控制模塊主要完成以下功能(I)用戶輸入系統(tǒng)的掃描。由PO. O PO. 7以及Pl. O Pl. 2、P2. 4、P3. 3、P3. 5和P3. 7等端口予以實(shí)現(xiàn)。(2)與外部設(shè)備串口通信的實(shí)現(xiàn)。包括通過(guò)RS232接口與無(wú)線發(fā)射模塊進(jìn)行通信以及通過(guò)RS485與接收端進(jìn)行有線通信，兩種通信之間使用自鎖按鍵進(jìn)行人工切換。(3)單片機(jī)通過(guò)Pl. 4端口實(shí)現(xiàn)對(duì)外部看門(mén)狗電路進(jìn)行定時(shí)喂食。(4)實(shí)現(xiàn)蜂鳴器和信號(hào)燈的報(bào)警和指示作用。其中Pl. 5和Pl. 6端口實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器工作狀態(tài)的控制，P2. 5 P2. 7和P3. 4端口實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)燈工作狀態(tài)的控制。(5)對(duì)復(fù)位電路工作狀態(tài)的控制。通過(guò)P3. 6端口予以實(shí)施。(6)對(duì)無(wú)線發(fā)射模塊的休眠控制。由P2. O端口實(shí)現(xiàn)。微控制模塊原理圖如圖5所示。用戶輸入系統(tǒng)架橋車(chē)需要實(shí)現(xiàn)按鍵和操縱桿兩種控制方式，因此本系統(tǒng)的用戶輸入系統(tǒng)主要由鍵盤(pán)和操縱桿兩部分組成。I、鍵盤(pán)部分根據(jù)架橋車(chē)控制的實(shí)際情況，鍵盤(pán)系統(tǒng)應(yīng)滿足62種用戶開(kāi)關(guān)量指令。因此，為了滿足功能需要和兼顧節(jié)省CPU端口資源及鍵盤(pán)系統(tǒng)小體積的原則，系統(tǒng)采用了獨(dú)特的鍵盤(pán)系統(tǒng)方案。根據(jù)架橋車(chē)的實(shí)際情況，本系統(tǒng)需要62個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，若簡(jiǎn)單地采用矩陣鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)方案，則至少需要8 X 8共16個(gè)I/O 口方可實(shí)現(xiàn)，但是這較多地占有了單片機(jī)的端口資源。為了能讓單片機(jī)的端口資源能得到有效擴(kuò)展，本系統(tǒng)采用了譯碼器74HC138和鎖存器74HC541，利用鎖存器暫時(shí)存貯鍵盤(pán)掃描結(jié)果，通過(guò)譯碼器來(lái)翻譯單片機(jī)輸出端口的含義，從而間接控制鎖存器的工作狀態(tài)。同時(shí)設(shè)置了 16個(gè)雙位開(kāi)關(guān)(此開(kāi)關(guān)有三個(gè)檔位，兩個(gè)狀態(tài))和4個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。應(yīng)用譯碼器和鎖存器所擴(kuò)展的鍵盤(pán)系統(tǒng)框架如圖6所示。利用單片機(jī)某一口的3個(gè)引腳的輸出作為譯碼器74HC138的3個(gè)選通信號(hào)，譯碼器的8個(gè)輸出分別送往8個(gè)鎖存器74HC541的0Ι 口(石己口由單片機(jī)的RD輸出來(lái)控制)，通過(guò)鎖存器的8個(gè)引腳(Al到Α8)來(lái)間接檢測(cè)8個(gè)控制點(diǎn)的狀態(tài)，鎖存器的8個(gè)輸出腳(Υ0到Υ7)將信息送往單片機(jī)的8個(gè)I/O引腳。通過(guò)這種擴(kuò)展方式，單片機(jī)的11個(gè)引腳最多能檢測(cè)用戶輸入的64個(gè)控制點(diǎn)，極大了節(jié)省了單片機(jī)的端口資源。同時(shí)系統(tǒng)選用了雙位開(kāi)關(guān)作為控制開(kāi)關(guān)，減小了手持發(fā)射器的體積。由于在操作流程中有很多機(jī)械動(dòng)作的先后順序比較明確，比如只有在支腿架設(shè)的所有工作得以完成之后方能進(jìn)行架設(shè)工作。因此，本系統(tǒng)在鍵盤(pán)設(shè)計(jì)中將某個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)置為工況切換鍵。當(dāng)按鍵往下?lián)軙r(shí)，系統(tǒng)只能進(jìn)行支腿的伸展動(dòng)作；而當(dāng)按鍵往上撥時(shí)，系統(tǒng)則進(jìn)行架設(shè)工作，不能進(jìn)行支腿的動(dòng)作。此方案一方面即不會(huì)使使用者發(fā)生誤操作，另一方面也可以充分利用開(kāi)關(guān)量的功能。 2、操縱桿部分架橋車(chē)有兩個(gè)操縱桿，共8路模擬信號(hào)，因此本輸入系統(tǒng)設(shè)置了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路?？紤]到A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)性和精度要求，本系統(tǒng)選用AD7829BRU芯片作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。如圖7所示，操縱桿的8路模擬量分別輸入到AD7829BRU的VINl VIN7引腳，當(dāng)CONVST轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)接收到單片機(jī)的下降沿信號(hào)時(shí)，芯片開(kāi)始分別對(duì)VINl VIN7的8路模擬量逐次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。單片機(jī)通過(guò)AO Α2來(lái)選擇地址以進(jìn)行模擬量的轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC發(fā)送結(jié)束標(biāo)志給單片機(jī)，單片機(jī)則開(kāi)始接收由DBO DB7輸出的8位數(shù)字量。單片機(jī)接收到采樣信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行處理后交由無(wú)線發(fā)射模塊進(jìn)行編碼和發(fā)送。復(fù)位電路由于系統(tǒng)工作的環(huán)境一般都比較惡劣，通常會(huì)遇到各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)干擾，此時(shí)微控制模塊和無(wú)線收發(fā)模塊中的CUP很容易受到影響，其程序指針很可能突然變化，導(dǎo)致程序跑飛。本系統(tǒng)使用外部芯片設(shè)計(jì)了帶看門(mén)狗功能的復(fù)位電路。復(fù)位芯片采用TPS3823-33DBVT，此芯片工作電壓為3. 3ν，具有人工復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位功能；同時(shí)還可以進(jìn)行電壓監(jiān)控，當(dāng)供電電壓低于2. 93ν時(shí)，芯片可以自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，使系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性大為提聞。復(fù)位電路原理圖如圖8所示。TPS3823的WDI引腳接至AT89LV51的Ρ14引腳，通過(guò)此引腳AT89LV51每隔一段時(shí)間向TPS3823發(fā)送一個(gè)喂狗信號(hào)；如果TPS3823不能按時(shí)收到喂狗信號(hào)，則引腳輸出低電平，自動(dòng)對(duì)單片機(jī)和無(wú)線數(shù)傳模塊進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)需要進(jìn)行人工復(fù)位時(shí)，只要按下S2自復(fù)位開(kāi)關(guān)，m彳ξ收到低電平時(shí)，則TPS3823對(duì)單片機(jī)和無(wú)線數(shù)傳模塊進(jìn)行復(fù)位。由于AT89LV51的RESET引腳高電平有效，因此TPS3823的復(fù)位信號(hào)的輸出端加上了光耦芯片，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)一個(gè)的輸出同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)和無(wú)線數(shù)傳模塊的復(fù)位。接口電路接口電路是微控制模塊和無(wú)線發(fā)射模塊的硬件接口，它除了完成數(shù)據(jù)通信功能之夕卜，還提供了控制基帶與鏈路控制器、鏈路管理器、狀態(tài)寄存器等硬件資源的功能，是連接手持發(fā)射器的CUP和無(wú)線數(shù)傳模塊的唯一紐帶。本系統(tǒng)采用的AT89LV51具有UART通道，可與外界進(jìn)行串行通信。但是為了便于系統(tǒng)的調(diào)試和滿足系統(tǒng)的功能需求，AT89LV51的UART通道需通過(guò)RS232或RS485接口芯片進(jìn)行接口標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的需要，本系統(tǒng)采用了兩種串行接口一RS232和RS485接口。1、RS232 接口電路無(wú)線發(fā)射模塊與單片機(jī)、RS232接口和RS485接口可以進(jìn)行直接連接通信，考慮到方便PC機(jī)對(duì)微控制模塊傳送到無(wú)線發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和檢測(cè)，本系統(tǒng)采用了 RS232接口來(lái)實(shí)現(xiàn)微控制模塊和無(wú)線發(fā)射模塊之間的通信。RS232接口電路原理設(shè)計(jì)圖如圖9所示。RS232芯片的9、10引腳分別與單片機(jī)的RXD、TXD相連，而7、8引腳與PC機(jī)或者無(wú)線發(fā)射模塊的B/RXD、A/TXD連接。圖中芯片的引腳Cl+與Cl-、C2+與C2-、V+與Vcc、V-與GND之間的4個(gè)104電容不可缺少，一般選用陶瓷介質(zhì)的電容即可?！?、RS485 接口電路當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用于電磁環(huán)境異常復(fù)雜的場(chǎng)地而不能進(jìn)行有效地?zé)o線通信，此時(shí)用戶即可使用有線電纜連接到系統(tǒng)收發(fā)端的RS485接口，進(jìn)行有線通信，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的不間斷。RS485標(biāo)準(zhǔn)是專為彌補(bǔ)RS232的傳輸距離短、傳輸速率低的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。RS485接口芯片采用SP3485芯片。RS485接口電路原理圖如圖10所示。其中RO腳和單片機(jī)RXD腳相連，DI腳和單片機(jī)的TXD腳相連，由于SP3485芯片進(jìn)行的是半雙工通信，那么RE和DE腳則可由單片機(jī)的一個(gè)引腳進(jìn)行控制。SP3485芯片本身集成了 ESD保護(hù)措施，但是為了能夠使RS485接口電路的工作狀態(tài)更加穩(wěn)定，如圖10所示，本電路還在芯片的輸出端并聯(lián)了 TVS管(V2、V3、V4)，避免了外界干擾(雷擊、浪涌)產(chǎn)生的高壓損壞RS485收發(fā)器；電路還增加了 C6、C7等電容，提高了電路的EMI性能。無(wú)線通信模塊無(wú)線通信模塊是本系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信的最關(guān)鍵部分，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性?？紤]到控制方式的有效性和易實(shí)施性，本系統(tǒng)采用具有前向糾錯(cuò)(FEC)方式的無(wú)線通信模塊。無(wú)線通信模塊主要由射頻收發(fā)芯片CC1020和控制器ATmega8L組成。在CC1020與ATmega8L的物理連接中，CC1020只有6個(gè)引腳和控制器相連。CC1020與ATmega8L的接口如圖11所示。CC1020通過(guò)簡(jiǎn)單的4線SPI兼容接口(PDI、PDO、PCLK和PSEL)配合MCU完成配置。數(shù)據(jù)輸入輸出引腳(DIO)必須連接在微控制器的I個(gè)雙向引腳上，用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)定時(shí)的DCLK必須連接在微控制器的輸入引腳上。作為一種選擇，接收模式下的數(shù)據(jù)輸出可在單獨(dú)引腳上得到。LOCK信號(hào)連接在微控制器的一個(gè)輸入引腳上，當(dāng)PLL被鎖定時(shí)，這個(gè)信號(hào)為低邏輯等級(jí)。CC1020外部電路中的PLL回路濾波器、LC濾波器和射頻輸入/輸出匹配電路的元件值由Chipcon公司提供的SmartRF Studio軟件根據(jù)用戶確定的CC1020的工作參數(shù)來(lái)確定。CC1020可搭配不同的天線使用，本無(wú)線通信模塊采用433MHz天線產(chǎn)品。控制器ATmegaSL主要起到配置CC1020工作參數(shù)和實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信模塊與發(fā)射端微控制模塊的作用。接收端硬件組成模塊接收端的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。接收端安裝于受控設(shè)備上，其作用主要是接收并執(zhí)行控制指令，實(shí)現(xiàn)發(fā)射端對(duì)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作控制。接收端提供的也是3. 3v電源，所有芯片也采用低功耗和低電壓型號(hào)。此部分主 要有微控制模塊、接口電路、控制器、電源模塊、復(fù)位電路和無(wú)線接收模塊等組成，其中電源模塊、復(fù)位電路和無(wú)線接收模塊等與發(fā)射端的類(lèi)似。微控制模塊接收端的微控制模塊的主要功能一方面是完成收發(fā)端的動(dòng)態(tài)反饋程序設(shè)定，另一方面是對(duì)接收端的輸出接口進(jìn)行擴(kuò)展，增強(qiáng)系統(tǒng)兼容性。由于本系統(tǒng)除了要實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制之外，為了保證可靠性，還設(shè)計(jì)了有線電纜通信接口，因此接收端也必須設(shè)置相應(yīng)的RS485接口與發(fā)射端進(jìn)行握手。為了方便PC對(duì)接收端的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和檢測(cè)，無(wú)線接收模塊也需要擴(kuò)展出RS232接口以方便與PC的對(duì)接。根據(jù)實(shí)際需要，微控制模塊設(shè)置了兩個(gè)RS485接口(有線和無(wú)線通信)和一個(gè)RS232接口，如圖13所示。除此之外，微控制模塊的單片機(jī)還對(duì)無(wú)線接收模塊的睡眠狀態(tài)進(jìn)行控制，以及設(shè)置收發(fā)通信的信號(hào)燈?？刂破鬟x用西門(mén)子的PLC S7-200CPU224代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器作為控制器。手持操作器上共有62個(gè)開(kāi)關(guān)量和8路模擬量，外加10個(gè)傳感器對(duì)采集信號(hào)反饋，因此PLC共需80個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)。而架橋車(chē)上所需控制的電磁閥的數(shù)目為46個(gè)，另外還有I個(gè)語(yǔ)音器，則PLC需要39個(gè)數(shù)字量輸出和8個(gè)模擬量輸出。S7-200系列PLC具有兩個(gè)RS485接口，而本系統(tǒng)在接收端的硬件設(shè)計(jì)中預(yù)置了RS232和RS485接口，因此PLC直接與RS485接口相連。選擇自由口通訊模式作為PLC的通訊協(xié)議，該模式利用自定義的PLC程序控制S7-200CPU通信端口，使用互用自己定義的來(lái)實(shí)現(xiàn)與外界的通訊，這樣PLC可以很方便地接受上位主控PC的控制命令，并將執(zhí)行狀態(tài)反饋給主控PLC。在PLC內(nèi)編寫(xiě)專門(mén)的無(wú)線控制程序，實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通信及對(duì)機(jī)械手的控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)米用Keil C語(yǔ)目對(duì)相關(guān)芯片進(jìn)行編程。發(fā)射端通信主程序發(fā)射端的通信主程序主要完成手持發(fā)射器工作，通過(guò)手持發(fā)射器的CPU初始化各寄存器或存儲(chǔ)器單元、定時(shí)器、各中斷源及I/o端口，通過(guò)判斷各端口的狀態(tài)產(chǎn)生不同的標(biāo)志，調(diào)用不同的處理子程序，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。此部分程序的流程主要有開(kāi)機(jī)鍵盤(pán)系統(tǒng)的掃描。系統(tǒng)手持發(fā)射端上電開(kāi)始時(shí)，單片機(jī)對(duì)內(nèi)部寄存器的初態(tài)及輸出參數(shù)進(jìn)行初始化。掃描鍵盤(pán)系統(tǒng)是否處于復(fù)位狀態(tài)，如果掃描結(jié)果正常，系統(tǒng)等待用戶輸入密碼鎖。電子鎖解鎖。當(dāng)用戶輸入事先約定的密碼鎖，經(jīng)程序判斷無(wú)誤后，進(jìn)入單片機(jī)主程序。用戶輸入系統(tǒng)的掃描。單片機(jī)不停地對(duì)用戶輸入系統(tǒng)進(jìn)行掃描，當(dāng)有用戶輸入指令時(shí)，程序通過(guò)查表判定按鍵或操縱桿的功能代碼。功能指令代碼處理流程。單片機(jī)將所判定的用戶指令功能代碼發(fā)傳送給無(wú)線發(fā)射模塊，并等待接收端反饋回來(lái)的接收確認(rèn)代碼。如圖14。動(dòng)態(tài)反饋?zhàn)映绦?。此部分主要有串口接收中斷和定時(shí)中斷程序,如圖15所示。動(dòng)態(tài)反饋程序是為了提高作業(yè)的安全性和可靠性，它有兩大功能一是進(jìn)行實(shí)時(shí)通信以監(jiān)測(cè)無(wú)線信道是否暢通；二是判決接收端控制指令功能代碼接收是否正確。實(shí)時(shí)通信是為了檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)是否保持聯(lián)系而設(shè)置的。在實(shí)時(shí)通信過(guò)程中，系統(tǒng)發(fā)射端每間隔O. 5s發(fā)送聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)至接收端，接收端在接收到聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)后，反饋一個(gè)聯(lián)絡(luò)應(yīng)答數(shù)據(jù)回發(fā)射端，發(fā)射端在接收到聯(lián)絡(luò)應(yīng)答數(shù)據(jù)后表明系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信正常，實(shí)時(shí)通信燈亮暗各O. 25s閃爍。由于發(fā)射端CPU只有一個(gè)串口接收數(shù)據(jù)，為防止實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)反饋數(shù)據(jù)與動(dòng)作反饋校驗(yàn)和應(yīng)答數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，在軟件中設(shè)置優(yōu)先級(jí)和數(shù)據(jù)標(biāo)志來(lái)區(qū)分不同的反饋數(shù)據(jù)。 實(shí)時(shí)通信的優(yōu)先級(jí)最高，其次是動(dòng)作反饋；數(shù)據(jù)標(biāo)志一是在不同數(shù)據(jù)前增加標(biāo)識(shí)頭，二是根據(jù)程序執(zhí)行情況設(shè)置數(shù)據(jù)功能標(biāo)志位。當(dāng)O. 5s時(shí)間到，CPU發(fā)送出實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)0x77，同時(shí)將實(shí)時(shí)通信功能標(biāo)志communication_on置位,接收端接收到實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)后也將其對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位置位，并反饋實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)應(yīng)答數(shù)據(jù)0x77，發(fā)射端接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)后進(jìn)入串口中斷子程序，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)順序，判斷communicatioruon是否置位，若置位則將接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確后則認(rèn)為實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)正常，同時(shí)將communication_on標(biāo)志復(fù)位。當(dāng)發(fā)射端判斷不為聯(lián)絡(luò)信號(hào)，則不反饋聯(lián)絡(luò)應(yīng)答信號(hào)，并且當(dāng)時(shí)間累計(jì)達(dá)到一定時(shí)間時(shí)，接收端則判斷無(wú)線信道發(fā)生中斷，那么發(fā)射端單片機(jī)將相應(yīng)引腳置低電平，紅色LED燈開(kāi)始閃爍報(bào)警，同時(shí)接收端自動(dòng)切斷所有輸出，停止一切機(jī)械動(dòng)作。通過(guò)以上方式來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)反饋的功能，用戶操作安全可靠。特殊情況處理子程序。特殊情況是指當(dāng)手發(fā)射器的用戶輸入系統(tǒng)沒(méi)有操作持續(xù)超過(guò)45s時(shí)或者當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警持續(xù)超過(guò)30s時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)單片機(jī)進(jìn)入空閑模式，STR-31無(wú)線發(fā)射模塊進(jìn)入睡眠模式，這樣便可在很大程度上降低手持發(fā)射器的功耗。無(wú)線通信模塊中微控制器的軟件設(shè)計(jì)無(wú)線通信模塊中微控制器(ATmegaSL)主要完成對(duì)CC1020的寄存器配置和糾錯(cuò)編碼的實(shí)現(xiàn)。1、CC1020的寄存器配置ATmega8L 通過(guò)與 CC1020 連接的 4 線 SPI 兼容接口(PDI、PD0、PCLK 和 PSEL)完成CC1020寄存器的配置和數(shù)據(jù)讀取操作。使用CC1020需要配置的參數(shù)主要有00K/FSK/GFSK調(diào)制方式；頻率合成器關(guān)鍵參數(shù)；RF輸出頻率、FSK頻率偏移量、晶體振蕩器參考頻率和晶體振蕩器精度；數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)格式(NRZ，曼切斯特編碼或UART接口)；接收/發(fā)送模式；RF輸出功率；信道間隔；頻率合成器鎖定指示器等。CC1020的配置寄存器為8位，通過(guò)7位地址尋址，所有的寄存器均為可讀。一個(gè)完整的CC1020配置要求發(fā)送33個(gè)數(shù)據(jù)幀，每幀為16比特。一個(gè)完整的配置時(shí)間長(zhǎng)短決定于PCLK頻率。在IOMHz的PCLK頻率下，完整的配置在53us內(nèi)完成。在每個(gè)寫(xiě)周期，ATmega8L在PDI線上發(fā)送16比特的數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀的高比特(A6 O)為地址位，然后I個(gè)比特的R/W位，最后是8個(gè)數(shù)據(jù)比特(D7 :0)。在地址和數(shù)據(jù)傳送期間，PSEL必須保持為低。數(shù)據(jù)在PCLK的負(fù)邊沿上建立，數(shù)據(jù)的時(shí)鐘在PCLK的正邊沿上完成。當(dāng)8個(gè)數(shù)據(jù)比特的最后I位即DO被載入后，數(shù)據(jù)被裝載入CC1020內(nèi)配置寄存器。ATmega8L糾錯(cuò)編碼的實(shí)現(xiàn)在CC1020的寄存器配置中將其接口數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)變?yōu)槁兴固鼐幋a格式，此編碼方式有良好的抗干擾能力。調(diào)制方式設(shè)為GFSK方式，在此基礎(chǔ)上綜合考慮糾錯(cuò)編碼的復(fù)雜程度、糾錯(cuò)能力和單片機(jī)的易實(shí)現(xiàn)等因素，本系統(tǒng)采用FEC方式，糾錯(cuò)碼為線性分組碼中的循環(huán)碼。當(dāng)一端的無(wú)線通信模塊處于接收狀態(tài)的時(shí)候，其軟件工作流程如圖16所示。CC1020對(duì)接收到的微波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后再通過(guò)曼切斯特解碼，并檢查解碼后的信息碼字是否為錯(cuò)誤碼字。若錯(cuò)誤碼字的錯(cuò)誤碼元數(shù)小于等于2，則對(duì)此碼字糾錯(cuò)，否則錯(cuò)誤不可糾標(biāo)志位有效。當(dāng)接收到的全部數(shù)據(jù)差錯(cuò)控制完畢后，系統(tǒng)將正確接收的碼字和經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)后的正確碼字發(fā)送至信宿。
·
CC1020在發(fā)送模式下，如圖17所示，ATmegaSL先讀取需要發(fā)送的信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)序列的讀取以O(shè)OH為起始標(biāo)志碼，并統(tǒng)計(jì)所讀取的信息數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)N。在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，若在兩幀數(shù)據(jù)的接收時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)，ATmegaSL默認(rèn)為需要發(fā)送的數(shù)據(jù)讀取完畢，自動(dòng)以N作為循環(huán)控制數(shù)，對(duì)讀取到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和調(diào)試，并以微波的形式發(fā)送出去。通過(guò)基于GFSK調(diào)試的前向糾錯(cuò)編碼方式的實(shí)現(xiàn)，與無(wú)編碼系統(tǒng)相比，本無(wú)線通信模塊的信息速率得到了提高，誤碼率有了明顯下降。PLC 程序本系統(tǒng)采用PLC的STL編程語(yǔ)言，編程軟件采用簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)版STEP7-Micro/WIN32。PLC的程序由主程序和接收中斷程序組成。如前文所述，本系統(tǒng)PLC接口通信模式上采用自由口模式，利用自定義的PLC程序控制S7-200的CPU通訊端口。如圖18所示，在主程序中，通過(guò)初始化實(shí)現(xiàn)自由口模式通信；另外主程序通過(guò)指令控制整個(gè)應(yīng)用程序的執(zhí)行，每次CPU掃描都要執(zhí)行一次主程序。當(dāng)PLC接收到外部送來(lái)的控制指令代碼，其內(nèi)部主程序進(jìn)入接受中斷程序，進(jìn)而控制輸出點(diǎn)的狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)，其特征在于包括手持發(fā)射端和安裝于架橋車(chē)的接收端，發(fā)射端包括用戶輸入系統(tǒng)，第一微控制模塊、第一復(fù)位電路、接口電路、無(wú)線發(fā)射模塊以及提供電源的電源模塊，接收端包括無(wú)線接收模塊、第二微控制模塊、第二復(fù)位電路、控制器和RS485/RS232接口，用戶輸入系統(tǒng)的輸出端接第一微控制模塊的輸入端，接口電路分別與第一微控制模塊和無(wú)線發(fā)射模塊雙向通信，第一復(fù)位電路的輸出端分別接第一微控制模塊和無(wú)線發(fā)射模塊的輸入端，無(wú)線發(fā)射模塊通過(guò)天線與無(wú)線接收模塊無(wú)線連接，RS485/RS232接口分別與第二微控制模塊和控制器雙向通信，第二復(fù)位電路分別與無(wú)線接收模塊和第二微控制模塊的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)，其特征在于所述微控制模塊采用型號(hào)為AT89LV51的CPU。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)，其特征在于所述復(fù)位電路采用型號(hào)為T(mén)PS3823-33DBVT的芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)，其特征在于所述無(wú)線發(fā)射和接受模塊由射頻收發(fā)芯片CC1020和控制器ATmega8L組成。
全文摘要
本發(fā)明以架橋車(chē)為應(yīng)用對(duì)象，針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)有的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的不足，提供了一種較為新穎的工業(yè)微波無(wú)線控制系統(tǒng)——架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)。選用微波無(wú)線遙控方式，以PLC作為無(wú)線控制系統(tǒng)的控制器，使用鎖存器和譯碼器設(shè)計(jì)了一種較為獨(dú)特的用戶輸入系統(tǒng)，縮小了發(fā)射端的體積；收發(fā)端專門(mén)設(shè)置了有線電纜通信接口，采用線性分組碼中的循環(huán)碼(BCH)進(jìn)行信道編碼，無(wú)線通信模塊采用了較為簡(jiǎn)易的頻率跳變方案，提升了無(wú)線信道對(duì)抗固定頻率干擾的能力；收發(fā)端預(yù)置了充分的信號(hào)指示燈，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)端的實(shí)時(shí)通信和動(dòng)態(tài)反饋，使得操作更加直觀、安全。本發(fā)明給出了整個(gè)架橋車(chē)的微波無(wú)線控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。
文檔編號(hào)G08C17/02GK102789681SQ20121020332
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者劉維亭, 常艷超, 戴曉強(qiáng), 朱志宇, 袁文華, 馬繼先, 魏海峰 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)