電子發(fā)燒友網(wǎng)核心提示：本文使用SOPC技術(shù)設計了一種基于FPGA和nRF905的挖掘機無線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，用于對挖掘機進行遠程狀態(tài)監(jiān)測、實時挖掘動作控制和行走操作控制等。該無線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作在433MHz的ISM頻段，能夠進行雙向傳輸。

　　液壓挖掘機在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利電力工程、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著極為重要的作剛。對于某些不適合人類進入的工作場所，如高溫、含有輻射物或裝卸危險物品的場所下的挖掘任務，以人手動操作為主的傳統(tǒng)液壓挖掘機已不能勝任，液壓挖掘機的遠程監(jiān)控、自動化和智能化成為該類場所挖掘難題的最好解決方案。在液壓挖掘機的無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計中，各種傳感器數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的無線傳輸系統(tǒng)的設計對于遠程監(jiān)控功能的實現(xiàn)具有關(guān)鍵作用。

　　1 系統(tǒng)設計方案

　　液壓挖掘機的無線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用上下位機雙層控制結(jié)構(gòu)，上下位機之間采用了點對點通訊模式。上位機采用PC機，主要完成遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲處理和運動軌跡規(guī)劃運算等工作。下位機安裝于挖掘機上，采用Inter Control公司的機載電腦。MTC通過CAN總線傳輸各傳感器數(shù)據(jù)和油缸電磁閥開口大小信號，進行挖掘機狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動等。各傳感器、油缸電磁閥和機載電腦之間通過CAN總線通信。編程工具是工控領(lǐng)域常用的CoDeSvs。采用通訊頻段為433MHz、通訊最大距離為500m的無線數(shù)傳輸模塊nRF905進行無線數(shù)據(jù)傳輸。nRF905有4種工作模式：掉電模式、待機模式、發(fā)射模式、接收模式。無線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用FPGA作為通信控制模塊，使用SOPC技術(shù)搭建片上硬件系統(tǒng)。通信控制程序使用C語言編寫。FPGA通過GPIO口控制nRF905的三組引腳：TX_EN、TRX_CE和PWR來設置nRF905不同的工作模式；載波儉測輸出CD、地址匹配輸出AM和數(shù)據(jù)就緒輸出DR用于通知FPGAnRF905的收發(fā)狀態(tài)；SPI接口用于配置、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　2 SOPC片上系統(tǒng)設計

　　該單元主要功能是通過建立通信協(xié)議和對無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的控制，準確實時地接收、存儲來自各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，并傳送給上位機和MTC。

　　2.1 SOPC片上系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　加入的SOPC組件和模塊主要有：NiosⅡ處理器，Avalon三態(tài)總線橋；外部SDRAM存儲器的控制器核；Flash類型的存儲器，用于存放程序和數(shù)據(jù)；時間計數(shù)器核Interval timer；SPI核，用于實現(xiàn)SPI協(xié)議并提供Avalon接口；PIO接口用于連接nRF905的SPT接口和發(fā)出控制信號，其管腳連接至FPGA的GPIO口。將所組成的系統(tǒng)進行編譯后，可以下載到FPGA芯片上構(gòu)成片上控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　2.2 SPI核配置

　　nRF905射頻模塊和FGPA通過SPI接口進行數(shù)據(jù)傳輸，該接口以主從方式工作，由以下四線組成：SCK （時鐘信號，由主設備產(chǎn)生）、CSN（片選信號，由主設備控制）、MOSI（主設備數(shù)據(jù)輸出，從設備數(shù)據(jù)輸入）、MISO（主設備數(shù)據(jù)輸入，從設備數(shù)據(jù)輸出） 通過FPGA實現(xiàn)SPI接口與總線接口轉(zhuǎn)換，需要考慮的因素有：

　?。?）接口時序 主要包括／SS與SCK的時序關(guān)系：／TREQ與／SS的時序關(guān)系；SCK與MOSI和MISO的時序關(guān)系，比如MOSI數(shù)據(jù)存SCK下降沿被從機采集接收，而MISO數(shù)據(jù)必須在SCK上升沿由從機輸出，在相鄰的下降沿被主機接收。

　?。?）接口速率 nRF905無線收發(fā)芯片的最高工作速率為50kb／s。上位機端的控制軟件可以設置串口的工作速率，本設計中波特率設置為9600b／s。串口的波特率的每個字節(jié)加上起始位、停止位和奇偶校驗位，經(jīng)計算，串口工作速率小于無線芯片的工作速率，因此可以采用nRF905轉(zhuǎn)發(fā)串口數(shù)據(jù)進行通信。

　　SOPC Builder內(nèi)部集成的NIOS II的SPI核可以實現(xiàn)SPI協(xié)議并提供與Avalon總線相連的接口。SPI核作為連接微處理器和控制設備的通信接口，可以實現(xiàn)主協(xié)議，也可以實現(xiàn)從協(xié)議。本系統(tǒng)將SPI核配置為主模式。SPI發(fā)送數(shù)據(jù)的順序根據(jù)nRF905的SPI數(shù)據(jù)傳輸要求，數(shù)據(jù)字的高位先發(fā)送。