安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 江錦洲 李立林 李 靜 金 強(qiáng)

基于無線傳輸?shù)墓I(yè)遠(yuǎn)程遙控器設(shè)計

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 江錦洲 李立林 李 靜 金 強(qiáng)

針對工程機(jī)械信息化發(fā)展的新趨勢，本文主要設(shè)計一種專門用來控制工程機(jī)械或工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程無線遙控器。為確保通信的穩(wěn)定可靠，無線工業(yè)遙控器采用具有反饋檢測功能的雙MCU控制，通信頻率分別采用433MHz和2.4GHz雙頻段無線通信的冗余設(shè)計。遙控器由發(fā)射器與接收器組成,兩者之間通過射頻模塊進(jìn)行無線通信。無線遙控支持“點(diǎn)動”和“翻轉(zhuǎn)”兩種控制方式，模擬實(shí)際工業(yè)控制方式。利用硬件FEC功能以及采用軟件交織卷積編碼方式，提供通信穩(wěn)定性，通信協(xié)議中加入實(shí)時在線功能，定時進(jìn)行“心跳包”的發(fā)送，確保實(shí)時連接。

工業(yè)遙控器；通信穩(wěn)定性；雙MCU；交織卷及編碼

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程機(jī)械設(shè)備的使用逐步的取代了人力在工程項目中的勞動，但有些大型機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)還是得靠人為操作，而且往往都是在危險的環(huán)境中。所以人們希望在更安全的地點(diǎn)操作機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

工業(yè)遠(yuǎn)程遙控器是在傳統(tǒng)的有線遙控基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，但是不同于有線遙控方式，無線工業(yè)遙控器采用兩個微控制器協(xié)調(diào)配合控制,可靠采集操作指令及狀態(tài)信息,兩個CPU之間相互監(jiān)測,在硬件結(jié)構(gòu)上保證系統(tǒng)的可靠性。相比傳統(tǒng)的手工操作，無線控制能節(jié)省人力資源、提高工作效率、改善工作環(huán)境，更減少了設(shè)備的人為損壞和維修成本。因此，工業(yè)無線遙控器將是未來工業(yè)發(fā)展的一個新趨勢。

1 系統(tǒng)功能簡介

工業(yè)遠(yuǎn)程遙控器按采集和處理數(shù)據(jù)的流程可分為兩部分:發(fā)射器與接收器。發(fā)射器用來采集按鍵、搖桿等指令或狀態(tài)信息，然后通過射頻模塊發(fā)送出去。接收器主要用來接收發(fā)射器發(fā)送的指令信息，并將指令信息通過相應(yīng)的總線接口傳輸?shù)焦こ虣C(jī)械，實(shí)現(xiàn)對工程機(jī)械的遠(yuǎn)程控制。在此次設(shè)計中，采用無線控制與線纜控制雙重控制方式，確保遙控器的可靠性。遙控器在實(shí)際工作過程中，涉及到了數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)采集、無線通信、CAN通信、串口通信及GPS定位等內(nèi)容，因此先設(shè)計相應(yīng)的子程序，最后通過主函數(shù)調(diào)用和中斷服務(wù)程序的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)遙控器對工程機(jī)械的控制。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中發(fā)射器屬于便攜式設(shè)備,由操作人員控制,向接收器發(fā)送控制指令,指令通過無線發(fā)射裝置傳輸?shù)浇邮掌?。接收器安裝在工程機(jī)械(如混凝土泵車、工業(yè)行車、隨車起重機(jī)等)上,當(dāng)接收器接收的指令后作出相應(yīng)的動作。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件電路是整個系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，主要由電源模、微控制器模塊、射頻通信模塊、GPS定位模塊、LCD顯示模塊組成。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 遙控器總體框圖

2.1 電源電路設(shè)計

本文中遙控器采用鋰電池供電，鋰電池的正常電壓為+3.7V到+4.2V，而遙控器在備用線纜控制方式下，要用+24V的車載蓄電池供電，另外車載蓄電池還可以給鋰電池充電。根據(jù)各芯片的電壓要求,微控制器及其外圍器件要用到的電壓有+5V和+3.3V。故設(shè)計+24V轉(zhuǎn)+5V、+5V轉(zhuǎn)+3V及鋰電池充電電路。各模塊電路如圖3所示。

圖3 電源模塊

圖4 微控制器模塊及部分外圍電路

2.2 微控制器模塊設(shè)計

微控制器模塊及部分外圍電路如圖4所示。本文中微控制器模塊采用STC11F08XE單片機(jī)。該系列單片機(jī)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，適用高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾場合。

2.3 其他模塊

射頻通信模塊、GPS定位模塊、LCD顯示模塊技術(shù)已非常成熟，沒有必要重復(fù)設(shè)計，故直接采用市場上的成品模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

遙控器系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的工作，不僅需要合理的硬件設(shè)計，還要有功能完善的軟件支撐。以下是程序要完成的工作。

(1)MCU芯片初始化。包括時鐘、UART、定時器等內(nèi)部資源的初始化。

(2)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計。包括ADC初始化，多路開關(guān)檢測芯片的初始化及按鍵采集程序設(shè)計。

(3)無線通信程序設(shè)計。包括對SI4432和CC2500芯片寄存器初始化、通信協(xié)議定義以及數(shù)據(jù)包收發(fā)程序設(shè)計。

(4)CAN總線程序設(shè)計。線纜控制與無線控制實(shí)現(xiàn)的功能基本相同，主要完成協(xié)議幀的傳輸。

(5)串口程序設(shè)計。主要實(shí)現(xiàn)發(fā)射器或接收器內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸，如上位機(jī)、GPS模塊及顯示屏的數(shù)據(jù)傳輸，雙CPU之間的數(shù)據(jù)交互等。

(6)GPS定位程序設(shè)計。通過讀取GPS模塊的信息，對GPS內(nèi)容進(jìn)行解析，獲取到發(fā)射器與接收器之間的距離。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于STC11F08XE新型實(shí)用的工業(yè)無線遙控器，可以取代傳統(tǒng)的由工作人員在封閉的駕駛室操作工程機(jī)械的方式，對大型機(jī)械工作進(jìn)行遠(yuǎn)程安全遙控。對于現(xiàn)在大型工程作業(yè)的安全意識要求越來越嚴(yán)格的背景下，該遙控器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械的精確操控，而且相比于傳統(tǒng)的遙控器更加安全可靠，具有實(shí)用性強(qiáng)，便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

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江錦洲（1993—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，主要研究方向為電子信息。