基于無線傳輸的光電測速系統分析

李 勇

（長沙礦山研究院有限責任公司檢測中心，湖南 長沙 410002）

1 概述

目前對提升速度的測量手段是采用光電轉速表測量電動機軸的轉速，再通過減速比和滾筒直徑換算成提升設備線速度，或者采用測速發電機來測量速度。這些方法準確度低，同時檢測檢驗手段也十分落后，主要體現在檢測檢驗方法本身在檢測檢驗過程中需要檢測檢驗人員近距離手持測量，對檢測檢驗人員的安全構成了威脅，存在很大的安全隱患，直接涉及到檢測檢驗人員的生命安全。同時礦山井巷工作環境錯綜復雜，采用有線電纜傳輸數據會給檢測工作帶來些許不便。基于無線傳輸的光電測速系統較好的解決了上述問題，并提高了檢測的安全性和數據的準確性。

2 無線傳輸的光電測速系統總體方案設計

本方案中，無線傳輸的光電測速系統設計時，系統主要完成光電模擬信號的采集和處理、無線收發系統傳輸協議構建、以及后端無線傳輸信號調制解調，最后實現速度測量，顯示，存儲等功能。

2.1 硬件設計

（1）光電信號采集發射端放大濾波電路設計：由于光電池輸出的信號幅值小、頻率高，因此放大電路要求所選器件頻響快且噪聲系數處于較低水平。本文信號放大電路采用二級放大，第一級的放大電路應用的場效應管對電壓進行控制，第二級放大電路包括了兩個LF353，利用元件噪聲低，帶寬高的特點，能夠很好地將小信號的放大。濾波電路選擇帶通濾波，該濾波電路帶通能達到20Hz～5000Hz，能實現測量速度0.08m/s～20m/s。

圖1 系統總體結構圖

（2）信號采集及處理電路設計：本文系統選擇DSP（TMSC6713）作為信號處理芯片，其主頻可達200MHz。A/D采樣采用ADS7864芯片，12位精度，500k轉換速率，6路差分輸入，滿足光電信號的采樣速率要求。

圖2 信號采集及處理電路

信號采集和處理電路如如圖2所示，雙極性輸入電路，輸入范圍±2.5V，對應的ADS7864的輸入端CHA0為0V～5V。TMS320C6713通過CPLD對ADS7864進行地址選通和讀寫操作。

（3）無線發射端硬件設計：本文無線發射和模塊采用nRF24LE1。nRF24LE1使用與nRF2401+同樣的內嵌協議引擎的2.4Hz GFSK收發器，無線模塊可以配置CONFIG寄存器中的PWR_UP、PRIM_RX，rfce，rfcsn的值來實現四種工作模式；無線模塊可以采用ShockBurst增強型模式發送數據，極大提高系統的節電和通信效率。nRF24LE1通過標準的SPI接口與TMS320C6713進行通信。

（4）無線接收端硬件設計：本文無線接收模塊采用nRF24LE1。nRF24LE1與ARM處理器之間通過標準的SPI接口進行通信，標準的SPI主要包括MOSI、MISO、SCK、CSN共4個信號，然后將可屏蔽中斷引腳（IRQ）、使能信號（CE）分別連接到ARM處理器上的外部中斷接口。

（5）嵌入式ARM處理器S3C2440及外圍電路：本文系統要實現速度的測量、顯示和存儲，系統選用普及程度高、成本低的S3C2440作為主控芯片。基于ARM處理器和無線模塊電源要求，選用AMS1117-3.3芯片作為穩壓芯片搭配旁路電容，為系統后端接收處理電路提供穩定電源。系統顯示功能部分選用3.5寸，5V電壓供電的WXCAT35LCD觸摸液晶屏，測速系統需要分析時間、加速度和減速度，將TSYM和TSYP分別用來確定電阻觸摸屏的X軸和Y軸坐標；VCLK為像素時鐘信號；VLINE為行同步脈沖信號。存儲模塊選用SDRAM是256Mbit的同步DRAM芯片HY57V561620FTP，在系統上電后，使用一段引導程序將程序調入SDRAM中運行，實現數據的存儲功能。

2.2 軟件設計

（1）數據采集發送端軟件設計：無線采集發射端主控芯片為nRF24LE1，因此發射端的軟件設計其實就是對其內部的增強型51核微控制器的編程。發射端的電子開關選擇，模數轉換器的采樣控制，無線發射都是通過在CCS（Code Composer Studio）環境下使用C語言編寫并進行調試。系統上電后初始化、配置I/O口，完成初始化后進入程序主循環。數據采集子程序，通過定時器來控制中斷實現采樣，一個中斷對應一個采樣數據，以512次為一個采樣周期，完成一個周期后將數據送入到數據處理模塊。數據處理子程序，用于將傳感器采集的數據進行Burg算法，得到速度和加減速度數據。數據發送子程序，系統上電后首先調用初始化程序，將CE置高，nRF24L01子系統開始工作，接受節點地址和有效數據按時序發送到nRF24L01子系統。系統將CE置低，激活ShockBurst方式，然后RF前端加電，按數據格式完成RF數據打包處理（加前綴，CRC校驗），形成完整的數據包，按照配置速度完成高速發送。

（2）數據接收端模塊軟件設計：采用ARM為主控，nRF24LE1作為接收模塊使用的。終端上電后Linux系統啟動，用戶可以通過觸摸屏顯示交互界面進行相關操作。主程序運行后，首先打開SPI、CE節點設備，然后對nRF24L01子系統進行初始化，配置接收地址和發射端地址相同，保持工作頻率、接受數據長度與發射端一致。之后就進入循環狀態，系統不停監聽空中的信號，當收到數據包后，會比對地址，地址正確之后再做CRC校驗，若是完全正確才接收至寄存器當中。每次接收一個數據包后，則返回繼續監聽等待接接收數據，接收到之后就通過SPI接口送至ARM處理器。

（3）嵌入式系統軟件設計：ARM端采用Linux（ubuntu8.04版本）嵌入式操作系統作為系統的軟件平臺。通過U-Boot移植，內核裁減，文件系統的制作及Qtembedded移植搭建完成嵌入式系統。為了實現實時速度曲線的顯示，創建一張畫布QPixmap,將串口傳來的速度數據作為縱坐標定時在QPixmap對應的像素處描繪點，然后依次連接這些點，同時考慮到閱讀及管理，創建一個自定義Drawer類來實現了游標與顯示界面的平移功能，流程圖如圖3所示。

圖3 曲線顯示程序流程圖

嵌入式系統對數據的存儲同樣是通過文件來實現。程序中新建一數據文件（定義文件類型為DAT格式），使用QDatastream類將速度數據以二進制形式寫入DAT文件，需要顯示歷史曲線時，將DAT文件中數據流以二進制讀出。在使用流寫入數據時，可以通過編程定義首先寫入的是寫入文件中速度數據總的個數，隨后是各個速度值。

3 結語

本系統實現的是對檢測檢驗數據的無線傳輸，顯示和處理等功能，改變以往手持式測速電機測速的落后方式，改善金屬非金屬礦在用品現場檢測的工作環境，保障人員安全，提高檢測檢驗數據精確度，提升檢驗人員現場檢測檢驗技術水平。

本系統采用數據采集、處理和無線傳輸結合起來，隨著網絡技術和通信技術的不斷進步，抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制少等特點使得短距離無線通信必然有更廣闊的應用前景。