聲發(fā)射監(jiān)測儀無線遠(yuǎn)程通信的實(shí)現(xiàn)

邵 帥，熊慶國，熊 斌，周 弦

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

目前有很多遠(yuǎn)程傳輸方式，大致可分為有線和無線2種。由于有線方式布線過于繁瑣且不適合在偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣的地區(qū)應(yīng)用，故無線數(shù)據(jù)傳輸被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、地質(zhì)等自動(dòng)監(jiān)測方面。無線遠(yuǎn)程通信通常有以下方案：1）是利用GSM、CDMA等一些公網(wǎng)資源進(jìn)行無線傳輸；2）是利用單片射頻收發(fā)芯片加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成無線通信模塊進(jìn)行無線遠(yuǎn)程傳輸。因此，這里提出一種基于第2種方案的聲發(fā)射監(jiān)測儀無線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

大多數(shù)材料形變和斷裂時(shí)會有應(yīng)力波即聲發(fā)射的產(chǎn)生，聲發(fā)射信號人耳是不能直接聽見的，需借助靈敏的儀器，即聲發(fā)射監(jiān)測儀[1]。

該系統(tǒng)為8通道聲發(fā)射監(jiān)測儀，擬在滑坡面的不同空間位置放置8個(gè)傳感器探頭，用于信號采集。無線通信模塊需要將8路數(shù)據(jù)信息發(fā)送到PC機(jī)，同時(shí)接受PC機(jī)的控制。該聲發(fā)射監(jiān)測儀主要由探頭、信號采集器、收發(fā)器、主機(jī)及電源組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。該監(jiān)測儀是滑坡破裂面追蹤定位系統(tǒng)，主要功能是對聲發(fā)射信號進(jìn)行源定位。

信號采集器能夠提供不同的高通、低通截止頻率和運(yùn)算放大器的增益，可通過上位機(jī)控制對其進(jìn)行選擇?？刂破鞑捎玫凸膯纹瑱C(jī)MSP430F149，該單片機(jī)內(nèi)部集成了12位的A/D轉(zhuǎn)換器，自帶60 KB的Flash存儲器，可滿足信號采集單元要求的高精度A/D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)信息的暫存。在采集聲發(fā)射信號波形信息的同時(shí)，還要求準(zhǔn)確記錄信號到達(dá)時(shí)間，故在微控制器外圍需增加時(shí)鐘芯片，以便準(zhǔn)確記錄時(shí)間達(dá)到毫秒級以上。收發(fā)模塊采用射頻芯片nRF905實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖18通道聲發(fā)射監(jiān)測儀系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram of 8-channel acoustic emission monitor

2 無線通信模塊

無線通信模塊由基站中心和現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)等單元組成。基站中心單元處于后方監(jiān)測房內(nèi)，負(fù)責(zé)與中心控制器的連接，接收現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)單元發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)可以發(fā)送控制信息經(jīng)校驗(yàn)處理后發(fā)到節(jié)點(diǎn)單元，完成對現(xiàn)場采集模塊的一些控制工作。中心控制器即監(jiān)測房上位機(jī)顯示并存儲現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)信息，并可控制不同通道的一些工作。

現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)單元在滑坡面的不同空間位置，即安放傳感器探頭處。負(fù)責(zé)將傳感器探頭傳出的信息經(jīng)過放大濾波以及微控制器處理后經(jīng)由節(jié)點(diǎn)單元發(fā)送到基站單元，并可以接收基站單元的信息。

2.1 nRF905簡介

該無線通信模塊主要采用挪威Nordic公司推出的單片射頻芯片nRF905。工作在433/868/915 MHz的ISM頻段，多通道工作且通道切換時(shí)間小于650 μs。由完全集成的頻率調(diào)制器，帶解調(diào)器的接收器，功率放大器，晶體振蕩器和調(diào)節(jié)器組成，無需外部SAW濾波器。ShockBurst工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生CRC和前導(dǎo)碼?？捎善瑑?nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編解碼，使用SPI接口與微控制器通信，外圍配置簡單。并且其功耗很小，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，在接收模式時(shí)電流為12.5 mA。進(jìn)入Powerdown模式很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電。在無線數(shù)據(jù)通信、報(bào)警及安全系統(tǒng)、遙控勘測等方面廣泛應(yīng)用[2]。

2.2 硬件連接

2.2.1nRF905與單片機(jī)MSP430接口電路

nRF905利用SPI口實(shí)現(xiàn)與MSP430的雙向通信，有4個(gè)SPI接口引腳[3]：MISO（主 SPI輸入、從 SPI輸出）、MOSI（主SPI輸出、從 SPI輸入）、CSN（SPI使能）、SCK（SPI串行時(shí)鐘）與MSP430的SPI接口連接。nRF905的輸入輸出信號與MSP430的其他幾個(gè)I/O相連接。nRF905與單片機(jī)MSP430連接如圖2所示。

圖2nRF905與MSP430接口電路Fig.2 Interface circuit of nRF905 and MSP430

天線在無線傳輸中具有重要作用，是收發(fā)信號的關(guān)鍵部件。nRF905具有高靈敏度，即使用無增益的PCB天線傳輸距離都能達(dá)到300 m，本設(shè)計(jì)采用阻抗天線設(shè)計(jì)，以差分方式連接到nRF905，比內(nèi)置的PCB天線傳輸距離更遠(yuǎn)。

2.2.2nRF905與PC機(jī)連接

nRF905與PC機(jī)的通信是通過單片機(jī)經(jīng)MAX3232進(jìn)行TTL電平和標(biāo)準(zhǔn)的RS232C電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的RS232串口通信的。將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過無線模塊傳送到上位機(jī)通過界面顯示出波形，且通過上位機(jī)控制各個(gè)通道的工作。nRF905與PC機(jī)通信連接如圖3所示。

圖3nRF905與PC機(jī)通信連接圖Fig.3 Communication connecting diagram of nRF905 and PC

2.3 軟件設(shè)計(jì)

MSP430可以通過I/O口控制nRF905的3個(gè)引腳，控制低功耗的PWR_UP、正常工作的TX_EN和選擇發(fā)送還是接收方式的TRX_CE。nRF905有2種活動(dòng)（RX/TX）模式和2種節(jié)電模式，其模式轉(zhuǎn)變是由TRX_CE，TX_EN，PWR_UP1來設(shè)置的。如表1所示。

表1nRF905工作模式Tab.1 nRF905 working mode

在掉電模式中，nRF905被禁止，處于不活動(dòng)狀態(tài)，電流消耗最小，在此模式中配置字的內(nèi)容是保持不變的；在待機(jī)模式中，nRF905在保持電流消耗最小的同時(shí)保證ShockBurst TX和ShockBurst RX的啟動(dòng)時(shí)間最短；在ShockBurst RX模式中，AM（地址匹配）和DR（數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒）信號通知MCU一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成；在ShockBurst TX模式中，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，DR通知MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。ShockBurst技術(shù)使nRF905能提供高速的數(shù)據(jù)傳輸速率。nRF905在降低MCU的存儲器需求同時(shí)可以縮短軟件開發(fā)時(shí)間。

2.3.1SPI接口

SPI接口由狀態(tài)寄存器（Status-Register）、RF配置寄存器（RF-Configuration Register）、發(fā)送地址（TX-Address）、發(fā)送有效數(shù)據(jù)（TX-Payload）、接收有效數(shù)據(jù)（RX-Payload）5 個(gè)寄存器組成。由執(zhí)行寄存器的回讀模式來確定寄存器的內(nèi)容。

SPI接口可以進(jìn)行多種形式的操作[4]，主要包括讀寫射頻配置、讀寫收、發(fā)地址和數(shù)據(jù)等，為了區(qū)分SPI端口對nRF905進(jìn)行不同的操作形式，nRF905設(shè)置了7種不同指令。當(dāng)CSN為低時(shí)，SPI接口開始等待一條指令，任何一條新指令都是由CSN從高到低的轉(zhuǎn)換開始。

2.3.2nRF905配置與收發(fā)流程

nRF905的所有配置都通過SPI接口進(jìn)行，只有在掉電模式和待機(jī)模式是激活的。

基站中心單元與各現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)單元的通信采用輪詢方式[5]。當(dāng)上位機(jī)需對某一通道截止頻率和放大增益進(jìn)行調(diào)整時(shí)，通過各現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)模塊不同的地址信息進(jìn)行區(qū)分。

無線傳輸模塊的基本發(fā)送流程如下：

1）MCU將PWR_UP置高，使nRF905進(jìn)入待機(jī)模式；

2）當(dāng)MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，將TRX_CE和TX_EN置高來激活ShockBurst TX模式；

3）通過SPI口，將發(fā)送地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)分別寫入發(fā)送地址寄存器TX_Address和發(fā)送有效數(shù)據(jù)寄存器TX-Payload；

4）nRF905根據(jù)寄存器設(shè)置自動(dòng)在數(shù)據(jù)包中加入前導(dǎo)碼和CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，采用曼徹斯特編碼，以GFSK方式發(fā)送出去。發(fā)送完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（DR）信號置高通知MCU數(shù)據(jù)傳輸完成；

5）AUTO_RETRAN被設(shè)置為高，nRF905將連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到TRX_CE被置低；

6）當(dāng)TRX_CE被置低時(shí)，nRF905結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式。

其發(fā)送流程如圖4所示。

圖4nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 Flow chart of nRF905 sending data

接收流程如下：

1）通過設(shè)置 TRX_CE為高，TX_EN為低，使 nRF905進(jìn)入ShockBrust RX模式；

2）650 μs后，nRF905 進(jìn)行監(jiān)測頻道使用情況；

3）當(dāng)監(jiān)測到有和接收頻率相同的載波時(shí)，載波檢測（CD）被置高。此特性對避免工作在相同頻率的數(shù)據(jù)碰撞有效，可在準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)先進(jìn)入接收模式判斷CD信號，從而有效避免數(shù)據(jù)沖突；

4）當(dāng)接收到與自己地址相匹配的有效地址時(shí)，地址匹配（AM）被置高。即該數(shù)據(jù)是發(fā)給自己的；

5）當(dāng)接收到的有效數(shù)據(jù)包，對CRC進(jìn)行校驗(yàn)，正確時(shí)去掉前導(dǎo)碼、地址和CRC段，將數(shù)據(jù)保存在接收有效數(shù)據(jù)寄存器RX-Payload中。DR被置高，MCU可以以合適速率通過SPI口讀取數(shù)據(jù)；

6）MCU將TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入待機(jī)模式。當(dāng)所有有效數(shù)據(jù)被讀出后，nRF905將AM和DR置低，為下次接收做準(zhǔn)備。

其接收流程圖如圖5所示。

圖5nRF905接收數(shù)據(jù)流程圖Fig.5 Flow chart of nRF905 receiving data

3 通信協(xié)議

本系統(tǒng)無線通信部分主要由監(jiān)測房中主機(jī)所連接的基站中心節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場8個(gè)傳感器探頭所連接的節(jié)點(diǎn)收發(fā)模塊相互間收發(fā)數(shù)據(jù)，并通過異步串口完成。故這里采用一個(gè)簡化的點(diǎn)對多點(diǎn)的通信協(xié)議[6]。當(dāng)無線數(shù)傳模塊收到PC機(jī)的串行口數(shù)據(jù)后，首先判斷收到的是控制命令，接收數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)。若是控制命令則執(zhí)行相應(yīng)操作；若是發(fā)送數(shù)據(jù)則先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)中，同時(shí)將模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成發(fā)射狀態(tài)；若是接收數(shù)據(jù)，則將無線傳輸模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成接收狀態(tài)。數(shù)據(jù)包遵循事先定義好的傳輸協(xié)議，從而能夠識別噪聲和有效數(shù)據(jù)，避免其他信號干擾。通用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議格式如圖6所示。

圖6數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議格式Fig.6 Protocol format of data packet transmission

圖6中的數(shù)據(jù)包包括數(shù)據(jù)傳送的目的地址、數(shù)據(jù)源地址、數(shù)據(jù)長度和要發(fā)送的數(shù)據(jù)。nRF905自動(dòng)為數(shù)據(jù)包加上字頭和CRC校驗(yàn)。接收時(shí)進(jìn)行CRC校驗(yàn)比較，若正確則發(fā)送接收確認(rèn)。若不同即傳送中出現(xiàn)錯(cuò)誤，要求重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于nRF905的無線收發(fā)模塊，已投入聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)以及單片機(jī)與單片機(jī)間的遠(yuǎn)距離無線通信，完成系統(tǒng)對數(shù)據(jù)收發(fā)的要求，避免了在較偏遠(yuǎn)地區(qū)布線及奔波的麻煩。通過無線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的監(jiān)控室內(nèi)實(shí)時(shí)掌握滑坡面有無破裂及危險(xiǎn)的信息，并具有誤報(bào)率低及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定，通信可靠。同時(shí)系統(tǒng)更換不同傳感器類型可嫁接到其他多種環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]王永兵.聲發(fā)射技術(shù)的研究進(jìn)展[J].石油和化工設(shè)備，2009（7）：48-50.WANG Yong-bing.Progress in acoustic emission technology[J].Petroleum and Chemical Equipment， 2009（7）:48-50.

[2]Nordic VLSIASA.Single Chip 433/868/915MHz transceiver nRF905[Z].2004.

[3]Nordic Semiconductor ASA.nRF905 RF and Antenna Layout[Z].2004.

[4]李鵬，呂亮，謝仁宏.基于nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2007（3）：28-31.LI Peng， LV Liang， XIE Ren-hong.A design of wireless data transmission equipment based on nRF905 [J].Electronics Engineer， 2007（3）:28-31.

[5]鄭軍剛，吳成東，陳彪.基于nRF905的智能無線火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].低壓電器，2009（6）：38-41.ZHENG Jun-gang， WU Cheng-dong， CHEN Biao.Design of intelligent wireless fire monitoring system based on nRF905[J].Low-voltage Electrical Appliances， 2009（6）:38-41.

[6]郝妍娜，洪志良.基于MCU和nRF905的低功耗遠(yuǎn)距離無線傳輸系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007（8）：44-47.HAO Yan-na，HONG Zhi-liang.A low-power long-range wireless data transmission platform based on MCU and nRF905 chip [J].Application of Integrated Circuits，2007（8）:44-47.