《電子技術應用》
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無線傳輸模塊在電纜偏心檢測系統(tǒng)的應用
2016年電子技術應用第10期
劉艷萍，胡冬陽，劉澤宇
河北工業(yè)大學 電子信息工程學院，天津300401
摘要： 在電纜偏心檢測系統(tǒng)中，超聲波數(shù)據(jù)采集傳輸模塊采用傳統(tǒng)有線連接的方式布線較為復雜。提出了一種基于nRF2401射頻收發(fā)芯片的無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，采用無線傳輸?shù)姆绞浇鉀Q有線傳輸?shù)木窒扌?。選用Altera公司的FPGA芯片EP4CE6F17C8作為整個模塊的控制核心。設計了FPGA與nRF2401及A/D轉換芯片TLC549的硬件接口電路，詳細介紹了發(fā)射和接收部分的軟件控制流程。結果表明，該模塊工作穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的準確傳輸。
中圖分類號： TN98
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.021
中文引用格式： 劉艷萍，胡冬陽，劉澤宇. 無線傳輸模塊在電纜偏心檢測系統(tǒng)的應用[J].電子技術應用，2016，42(10)：83-84，88.
英文引用格式： Liu Yanping，Hu Dongyang，Liu Zeyu. Wireless transmission module in the application of cable eccentricity detection system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：83-84，88.
Wireless transmission module in the application of cable eccentricity detection system
Liu Yanping，Hu Dongyang，Liu Zeyu
School of Electronic and Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China
Abstract： The wiring mode using the traditional wired connection is more complicated in the ultrasonic data collection and transmission module of the cable eccentricity detection system. A kind of wireless data collection and transmission module based on RF transceiver chip nRF2401 is proposed in this paper, which uses the wireless transmission method solve the limitations of wired transmission. The FPGA chip EP4CE6F17C8 of Altera company is chosen in the system as the control core of the whole module. The hardware interface circuit between FPGA to nRF2401 and TLC549 is designed. The control flows of software for the transmitting and receiving part is introduced in detail. The results show that the module works stably and can achieve the accurate transmission of the data.
Key words : cable detection；data collection；wireless transmission；FPGA

0 引言

    隨著我國電力工業(yè)的蓬勃發(fā)展，電纜產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣就顯得由為重要，它直接關系到各種生產(chǎn)設備的正常運行及人民群眾的正常生活。電纜偏心檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了對電纜質(zhì)量的嚴格把控，確保電纜同心。超聲波電纜偏心檢測系統(tǒng)具有原理簡單、系統(tǒng)成本低等優(yōu)點。本文提出一種利用無線傳輸方式解決超聲波電纜偏心檢測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膯栴}。

1 系統(tǒng)結構

    本文設計的無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊分為發(fā)送和接收兩部分：發(fā)送部分由數(shù)據(jù)轉換模塊、FPGA控制模塊和無線發(fā)送模塊組成；接收部分由FPGA控制模塊和無線接收模塊組成，接收部分FPGA采用可編程片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip，SOPC)技術。數(shù)據(jù)轉換模塊利用TLC549芯片完成對數(shù)據(jù)的A/D轉換，下位機FPGA將A/D轉換后的數(shù)據(jù)送入發(fā)射模塊；接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)送入上位機FPGA，并對數(shù)據(jù)進行預處理后發(fā)送到PC實現(xiàn)可視化，顯示電纜的實時偏心度及偏心方向。系統(tǒng)結構如圖1所示。

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1.1 發(fā)送部分硬件結構

    本文選用Altera公司生產(chǎn)的CycloneⅣ系列FPGA芯片型號為EP4CE6F17C8。該型芯片采用TSMC 60 nm工藝開發(fā)，含有6 K～150 K個邏輯單元，高達6.3 MB的嵌入式存儲器，是一種普遍使用性價比較高的芯片。FPGA通過輸入時鐘（I/O CLOCK）和芯片選擇輸入ck4-1.1-x1.gif接口實現(xiàn)對TLC549的控制。FPGA與TLC549硬件接口如圖2所示。

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1.2 接收部分硬件結構

    nRF2401無線模塊由Nordic公司生產(chǎn)，工作頻率在2.4 GHz頻段，125個頻道，使用1.9~3.6 V電壓，滿足系統(tǒng)低功耗的設計需求[1]。最高傳輸速率可達1 Mb/s，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)時自動加上處理字頭和CRC碼，接收數(shù)據(jù)時自動把字頭和CRC碼移去。由于FPGA的I/O口工作電壓是3.3 V，與nRF2401的工作電平兼容，本文nRF2401與FPGA的連接采用I/O口直接連接方式[2]。nRF2401與FPGA的接口連接如圖3所示。

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1.3 上位機SOPC設計

    SOPC技術是Altera公司于2000年最早提出的，融合了SOC和IP的設計思想，采用了很多參數(shù)化IP，減少了硬件開發(fā)的周期和成本。本文接收部分FPGA控制模塊利用SOPC技術構建一個可編程片上系統(tǒng)，外圍電路由SDRAM、50 MHz晶振、存儲器EPCS16等組成[3]。在SOPC內(nèi)添加NIOSⅡ處理器、JTAG控制器、EPCS控制器、定時器、SDRAM控制器、PIO等IP核，并分配基地址和中斷。具體設計如圖4所示。

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2 軟件設計

    根據(jù)系統(tǒng)需求使用QuartusⅡ軟件完成數(shù)據(jù)轉換模塊和無線發(fā)送模塊控制程序的編寫，在NiosⅡIDE開發(fā)環(huán)境下采用C/C++語言，完成無線接收模塊控制程序的編寫。

2.1 數(shù)據(jù)轉換模塊軟件設計

    數(shù)據(jù)轉換模塊功能是將采集到的模擬信號轉化為數(shù)字信號并送入下位機FPGA，工作流程如圖5所示。

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    利用QuartusⅡ集成的Signaltap對TLC549接口控制進行硬件仿真，仿真結果如圖6所示。ADC549_CLK為時鐘信號，ADC549_CS_N為片選信號，ADC549_DATA為轉換輸出數(shù)據(jù)。從仿真結果可以看出，當CS片選信號有效時，TLC549開始轉換數(shù)據(jù)并通過DATA端口輸出數(shù)據(jù)，達到了實際要求的效果。

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2.2 無線發(fā)送模塊軟件設計

    nRF2401工作模式由PWR_UP 、CE、CS引腳決定。模式為：收發(fā)模式（110）、配置模式（101）、空閑模式（100）和關機模式（0XX）。收發(fā)模式又分為ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式。本文采用ShockBurstTM模式，該模式功耗較低，抗干擾性強，并自動重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和產(chǎn)生應答信號[4]。

    首先對nRF2401進行初始化配置，通過CS、CLK1、DATA 3個引腳將其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式，通過15個字節(jié)的配置字完成數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、地址和CRC相關參數(shù)的配置。將配置寄存器最低位RXEN 設置為0，使之進入發(fā)送模式。FPGA向nRF2401寫入數(shù)據(jù)時序及發(fā)射流程分別如圖7、圖8所示。

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2.3 無線接收模塊軟件設計

    無線接收模塊的初始化配置同發(fā)射模塊相似，將配置寄存器最低位RXEN 設置為1使之進入接收模式。nRF2401的接收流程及FPGA讀取數(shù)據(jù)時序分別如圖9、圖10所示。

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3 結束語

    本文以nRF2401和CycloneⅣ芯片為基礎，配合TCL549模數(shù)轉換芯片，利用SOPC技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線采集傳輸。解決了因采集探頭周向運動而帶來的數(shù)據(jù)傳輸問題，減少了電纜偏心檢測系統(tǒng)內(nèi)部之間的連接線纜，簡化了整個檢測系統(tǒng)。實踐證明在10 m以內(nèi)的距離能實現(xiàn)較好的效果，滿足了系統(tǒng)需求。此外，本模塊還可以應用到其他領域，如無線溫度采集等。如需傳輸更遠，可以外加功放以達到更好的效果。

參考文獻

[1] 楊鵬飛，付銳，王暢.基于nRF2401的鼓式制動器溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].科技導報，2010(18)：84-88.

[2] 侯天星，王鳳新.基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].中國農(nóng)學通報，2009(7)：258-263.

[3] 張?zhí)旌?，張興紅，陳錫侯，等.基于SOPC的高精度超聲波溫度計設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014(2)：101-104.

[4] 陳麗娟，常丹華.基于nRF2401芯片的無線數(shù)據(jù)通信[J].電子器件，2006(1)：248-250.

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