高空作業車支承反力測試系統中無線方式的研究

摘 要:由于高空作業車支承反力測試系統不便于使用線纜作為測量設備的數據通訊和電源供給，采用無線通訊，存在無線通訊頻率被干擾或占用的情況以及測量設備的電源供給問題，本文中給出了一種避免無線通訊頻率被占用的方法。采用鋰離子電池作為供給電源，解決了測量設備的供電問題。真正實現了測量設備與外界的無線。

關鍵詞:支承反力 無線通訊 鋰離子電池

中圖分類號:TU71文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0050-02

本文介紹了高空作業車支承反力測試系統中利用RF無線通訊作為無線通訊以及鋰電池作為設備電源供給的方法達到測試設備與外界無線連接，同時提出了頻率轉移的方法以避免無線通訊頻率被占用或干擾。

1 系統概述

高空作業車支承反力測試評價系統由用于采集測量數據的硬件系統和數據處理軟件系統構成。硬件系統由工控機、回轉角測量裝置、傾角測量裝置、載荷測量裝置組成，回轉角測量裝置、傾角測量裝置、載荷測量裝置主要實現采集參數并將數據傳送給工控機，數據處理軟件系統則通過工控機的人機交互界面，實現各種參數的文本和圖形顯示。

測量設備與工控機之間的采用了無線方式進行連接，不僅能節省了連接線纜，而且在測量裝置安裝在被測車輛上后，不會象有線方式那樣影響到被測量車輛的正常工作。只需固定在相應的位置就可以。同時對試驗的高空作業車上的平臺支撐臂的旋轉沒有任何限制，可有效保證測量的順利實施。

2 系統無線設計

測量設備與工控機之間采用無線方式，則需要解決測量設備與工控機之間無線數據通訊和測量設備的電源供給兩個問題。

2.1 無線數據通訊

現在無線通訊主要有以下幾種類型:Wi-Fi、藍牙方案、Zigbee 以及射頻(RF)技術等，在表1中列出了各種無線通訊的優缺點[1-3]

在國內，無線通訊主要應用頻率為2.4GHz，同時ISM頻段在2.4GHz的頻帶是惟一可用的，任何人都可以免費使用這段頻譜，2.4GHz頻段無線系統主要有Bluetooth、wiFi、無線USB、zigBee，以及無繩電話、微波爐和醫療設備等系統與設備。ISM-2.4GHz頻帶的過度火熱，以致于它過于擁擠，無線干擾以及電磁兼容問題日益凸現。現在有很多射頻芯片可用來完成無線數據傳輸，開發相對簡單，易于實現。與Bluetooth、wiFi、zigBee等技術相比，采用射頻技術，可以靈活選擇無線通訊頻率，避開外界的無線通訊設備的干擾。

2.1.1 無線通訊芯片選擇

目前市場上的無線芯片有很多種，生產廠家主要有美國Silicon Labs公司、挪威的Ｎordic公司以及挪威的Ｃhipcon公司等。在綜合考慮后，采用了Silicon Labs公司的si4431芯片，Si4431具有高集成度、低成本、靈活性，外圍精簡和很容易設計等特點。連續頻率覆蓋范圍:240Mhz-930Mhz，輸出功率達到+20dbm(100mW)，接收靈敏度達到-116dbm。芯片內含一個高性能的ADC在接收路徑和數字調制解調器當中做解調、濾波和數據包處理、數字領域使得它非常適合配置一些多樣化的應用[4]。

單片機通過串行口接收測量單元發送出的數據，將測量數據進行處理后，通過SPI串行口將要發送的數據傳送給Si4431，Si4431在接收到要發送的數據后，在內部增添前導碼、同步字、數據載荷長度、引導碼以及CRC校驗后，從天線將數據發送。Si4431在天線接收到數據后，經過CRC校驗后，將正確的數據通過串行口發送給單片機。

2.1.2 無線干擾的解決

在實際應用中，由于可能存在通訊所用頻率被占用或眾多干擾因素使通訊設備無法接收到正確的通訊數據的情況，這樣需要無線通訊部分有主動變換通訊頻率的功能，避免已經被占用以及被干擾嚴重的頻率，找尋到沒有被使用和干擾的頻率作為通訊頻率，無線通訊設備在選擇無線通訊頻率應該達到如下功能:在通訊被嚴重干擾時，可以將通訊頻率移至沒有干擾的頻道;沒有固定頻率沖突時維持在原信道工作。

在本設計中，給每個測量設備的正常通訊頻率下預留下9個以3倍頻偏為間隔的通訊頻率，當無線通訊裝置與測量設備之間的無線通訊受到外界的干擾，在連續５次不能接收到正常通訊數據時，則無線通訊裝置以10ms的間隔改變通訊頻率，同時發出通訊數據包，發完后等待測量設備的回應信號，如果10ms內不能接收到測量設備的回應信號，則將通訊頻率轉到下一個預留的通訊頻率，并重新發送通訊數據。如果在新的通訊頻率上接收到測量設備的回應信號，說明在該通訊頻率上無干擾。而測量設備在50ms內發現接收不到無線通訊裝置的數據時，則以100ms的間隔改變通訊頻率，在這100ms內等待無線通訊裝置發送出通訊數據包，如果沒有接收到無線通訊裝置發送出的通訊數據包，則將通訊頻率設置為下一個預留的通訊頻率。

無論收發雙方是否同步，測量設備在轉換為某一頻道的100ms周期內，確保由無線通訊裝置的頻率有10ms的周期和接收頻率是一致的，完成一幀數據的收發.如果收發數據偵測正常，系統就保持該信道進入正常通信階段。如果收發數據偵測不成功，接收方轉入下一頻道繼續偵測，直到偵測成功。這樣如果在測量工作正在進行時，如果突發嚴重的無線干擾，無線通訊裝置和測量設備可以通過該方法在1S內找到沒有被干擾的通訊頻率，繼續進行數據傳送，不需要停止測量，改變通訊頻率。

2.2 電源供給方案

測量設備的電源供給不能采用AC/DC的方式解決，采用可充電電池作為測量設備的電源，是解決測量設備無線的唯一方案。在設計電源時，有多種電池解決方案可以選擇，包括鎳氫電池(Ni-MH)、鋰離子電池(Li)、聚合鋰電池(PLB)和高級鋰電池(ALB)等，下面在表2中列出電池各自的優缺點[5～7]。

2.2.1 電池的選擇

從性價比上比較，采用了鋰離子電池作為電源。因為鋰離子電池在價錢上要遠低于ALB、PLB電池，同時性能要比鎳氫電池要好。鎳氫電池由于有記憶效應的存在，適用于完全充滿和完全放電的過程。這對于常常會將電能完全耗盡的產品比較適合。

2.2.2 穩定電源的芯片選擇

采用電池作為電源供給，存在電池輸出電壓不穩的情況，鋰離子電池的輸出電壓在3.0到4.2V之間，輸出電壓波動大，而系統的工作電源要求嚴格穩定，這樣需采用一個高效率的電壓轉換器，在本設計中，采用了MAX8815A作為電壓轉換器。是一款高效、低靜態電流、具備True ShutdownTM和浪涌電流限制的同步升壓轉換器。具有最高效率(97%)、低靜態電流(30mA)以及低噪聲強制PWM工作模式。[8]

3 應用效果

3.1 無線通訊測試

在對無線通訊的應用測試中，選擇了三種測試方式:一種是在通訊頻率旁的通訊頻道上進行相應頻率干擾，另兩種是完全占用通訊頻率點，使無線通訊不能正常進行，看是否能恢復正常通訊。測試方式及效果見表3。

4.2 電池使用時間測試

在實際應用中，使用到的無線通訊部分的正常應用電流在發射時小于100mA，接收時小于30mA。測量部分的正常應用電流小于60mA，因此采用了功率型的最大連續工作電流為200mA、最大脈沖電流400mA、容量為1000mAH，時的鋰電池，根據理論計算，該電池可以連續放電工作5個小時，實測的結果，測量系統連續工作了七個多小時，而實際測量中每次的測量時間從開始預備到測量結束，工作時間不超過20分鐘，每次充滿電后，最少可以進行20次的測量。

4 總結

在高空作業車支反力測試評價系統中，通過采用無線通訊作為測量設備與工控機的數據通訊方式以及鋰電池作為測量裝置的電源供給，使得測量設備與外界真正實現了無線，采用通訊頻率轉移的方法，可以避免無線通訊頻率被占用或干擾，保證測量設備與工控機之間正確無誤的數據通訊。

參考文獻

[1]張莉.近距離無線通信技術及應用前景[J].電信技術，2005，(11).

[2]傅民倉，馮立杰，李文波.短距離無線網絡通信技術及其應用[J].現代電子技術，2006，29(11):15-17，30.

[3]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網絡應用研究[J].計算機應用與軟件，2004，21(6):89-91.

[4]Silicon Laboratories.Si4431 ISM transceiver DataSheet，2008.

[5]王海明，鄭繩楦，劉興順.鋰離子電池的特點及應用[J].電氣時代，2004(3).

[6]毛國龍.鋰離子動力電池發展現狀及應用前景[J].中國電子商情(基礎電子)，2009(8).

[7]韓向陽，周鳳星，胡磊，等.一種基于無線收發模塊nRF903的距離監控系統設計與實現[J].電子測量技術，2006，29(5):187-189，198.

[8]Maxim Integrated Products MAX8815A datasheet.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文