基于nRF24L01的色選機無線數據傳輸系統設計

馬常松 王雪梅 許麗萍

摘 要：色選機的無線數據傳輸系統可實現快速布局，也可將多臺色選機組網進行統一管理。該系統采用高速低功耗的nRF24L01作為無線收發器，采用LPC1768作為微處理器，實現系統間數據的高速傳輸。該文詳細論述了無線單元的組成結構及硬件設計，根據色選機功能系統需求設計無線傳輸協議架構，并進行了相應的軟件設計。通過實驗驗證，該無線數據傳輸系統性能良好，實用性較強，降低了因線路問題引發色選機故障的概率，進一步提高了色選機的智能化。

關鍵詞：無線數據傳輸 nRF24L01 無線單元 傳輸協議

中圖分類號：TN919.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（b）-0059-04

Abstract：Wireless data transmission system of color sorter can help assemble quickly and connect sorters to be a net and realize management together.The system adopts low power wireless digital transmission chip—nRF24L01，and LPC1768 as microprocessor to do high speed data transmission between systems.This paper introduces structure and hardware design of wireless unit.According to sorter functions demands，designs protocol structure and software of wireless data transmission.Through experiment testing，the wireless data transmission system running stable and reliable.It has high practicability and reduces line fault probability of sorter.It helps improve intelligent of color sorter.

Key Words：Wireless data transmission；nRF24L01；Wireless unit；Transmission protocol

色選機由多個功能系統構成，通過人機界面的控制系統輸入各種指令實現各系統間協調工作。各系統分布在色選機不同位置，控制系統與其它系統間通過數據線連接實現數據傳輸。各系統間數據線多次往返長度過長，同時不可避免要與電源線并行，數據信號會受到影響。當出現線路問題時不易查找問題源，工作環境較惡劣會出現線路老化現象。在一些規模較大的應用場所，會同時使用多臺色選機組成一整條生產線工作，每臺色選機配備一套控制系統，這就需要配備多名操作人員實時在色選機周圍進行維護，對于用戶來說成本較高且不便于操作人員的統一管理。

采用無線方式進行短距離通信是當前的熱點，無線數據通信不用布線，可實現快速布局。基于nRF2401的無線數據傳輸系統既可實現單臺色選機不同系統間協調工作，也可將多臺色選機組網進行統一管理，具有有線數據傳輸無法比擬的便捷性。

1 色選機無線數據傳輸系統整體設計

色選機的主要功能系統按分布位置主要分為：控制系統、前檢測處理系統、后檢測處理系統、剔除系統、其它系統（包括喂料、照明和輔助控制系統）。處在不同位置或空間的功能系統之間是需要進行數據通信，為此設計了無線數據傳輸的基本單元——無線單元，主要由MCU和無線傳輸芯片組成。每個功能系統配備一個無線單元，通過無線單元實現各系統間的數據傳輸（圖1）。

2 無線單元硬件設計

無線單元中無線傳輸芯片采用NORDIC公司的nRF24L01，其工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。可通過SPI寫入數據，最高可達10 Mb/s，數據傳輸率最快可達2 Mb/s，并且有自動應答和自動再發射功能。無線傳輸芯片采用發送和接收兩種工作模式，根據MCU發送的配置字在發送模式和接收模式間進行轉換。nRF24L01啟用6個通訊信道，每個信道可分別設置地址。兩個無線傳輸芯片通過對相同信道設置為相同地址，便可實現數據的傳輸。nRF24L01芯片及其外圍電路如圖2所示。

MCU采用NXP公司的LPC1768控制器，其操作頻率可達100 MHz，LPC1768微控制器的外設組件包含高達512 kB的flash存儲器、64 kB的數據存儲器、4個UART、2個SPI接口。由于LPC1768在無線單元中起到中轉站或翻譯機的作用，通過1路串口與色選機功能系統直接相連，接收指令和數據。通過SPI與無線傳輸芯片連接，向無線傳輸芯片發送設置指令和數據。撥碼盤是為了區分與不同系統相連的無線單元，MCU對撥碼盤數值進行讀取，根據不同數值設定無線傳輸芯片啟用不同信道并設置信道地址。

nRF24L01與LPC1768的連接電路原理圖如圖3所示。

3 無線數據傳輸協議架構

nRF24L01只有6路數據通道，單臺色選機有5個功能系統，nRF24L01的6路數據通道可滿足數據傳輸需要。但有時一條生產線配備至少2臺以上的色選機，功能系統總數量便會超過nRF24L01的數據通道數，為此設計了以下的無線數據傳輸協議架構。

在無線單元上設置兩套四位撥碼盤，撥碼盤1可實現對16個設備的識別，如表1所示，撥碼0000指定為控制系統，其它撥碼對應色選機設備。撥碼盤2可實現對5個功能系統的識別，表2為色選機設備對應的各系統編碼。

無線傳輸芯片有6路不同通訊信道，每一路通訊信道使用不同的地址（如表3所示，地址可自行設置），只有兩個無線傳輸芯片的相同信道設置為相同地址才能正確的通過該信道傳輸數據。控制系統的nRF24L01啟用全部6路通訊信道，可接收其它功能系統的數據，其它功能系統根據通訊對象啟用對應的信道。

不同色選機的相同功能系統信道地址是相同的，為了區分不同色選機的相同功能系統，將無線傳輸的數據包按表4格式進行傳輸。通過識別數據包中目的設備識別碼，來判斷數據是否應該接收。

4 無線數據傳輸軟件設計

4.1 控制系統程序設計

控制系統的無線單元上電后進行初始化，主要包括：LPC1768的初始化、讀取撥碼盤編碼設置無線傳輸芯片信道和地址。初始化后在無操作時控制系統的無線單元一直處于接收模式，控制系統將相關操作指令通過無線單元發到其它功能系統。當無線單元的LPC1768接到指令后，將無線傳輸芯片配置為發送模式。根據目標功能系統選擇信道，并將要發送的數據按表4的數據包格式打包，通過特定的信道發送出去。發送完成后自動切換回接收模式，等待接收應答指令。在規定時間內未收到返回指令則重發，超過規定的重發次數后即報錯（圖4）。

4.2 其他功能系統程序設計

其他功能系統無線單元上電后進行初始化，完成LPC1768初始化和信道地址的設置。在無操作時一直處于接收模式，不同設備間的相同功能系統開啟相同的信道號和相同的地址。當該信道接收到數據時要根據目的設備識別碼來判斷是否是屬于自己，最終只有目的設備識別碼匹配正確的功能系統才能接收完整數據。接受完數據后LPC1768將數據解析并發給功能系統進行處理，同時配置為發送模式，向控制系統發送應答命令（圖5）。

5 系統實現

色選機系統間數據傳輸主要有兩路：控制系統與各功能系統之間數據傳輸；前、后檢測處理系統與剔除系統之間數據傳輸。從空間布局上，控制系統與前檢測處理系統在同一空間位置，后檢測處理系統、剔除系統和其它系統分別各在一空間位置，其中控制系統與剔除系統位置相隔最遠。前（后）檢測處理系統與控制系統之間的數據傳輸量最大，大約在2 000字節。

無線通信需要解決的最大問題是保證傳輸數據的準確性，即要求誤碼率低。誤碼率是衡量數據在規定時間內數據傳輸精確性的指標。誤碼率=錯誤碼元數/傳輸總碼元數（100%）。因此分別測試控制系統與各功能系統間數據傳輸的誤碼率和丟包率。

實驗數據顯示色選機各功能系統采用無線通信的方式并未影響數據傳輸的準確性，很好的保證了系統間穩定可靠的通訊（表5）。

6 結語

該文設計了色選機的無線數據傳輸系統，采用該系統可幫助快速布局，同時實現多臺色選機聯網的操作管理。該文詳細論述了無線傳輸單元的結構及無線傳輸協議架構，依次進行了軟硬件的設計。通過實驗驗證，該無線數據傳輸系統性能良好，實用性較強，降低了因線路問題引發色選機故障的概率，進一步提高了色選機的智能化。

參考文獻

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