基于nRF24AP2的无线液压参数检测系统设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

W ireless hydraulic parameter detection system based on the nRF24AP2HUANG Ying(Liuzhou Railway Vocational Technical College，Liuzhou 545007，China)Abstract：In the system，the hardware and software of wireless hydraulic detection system are designed.Ultra-low-power chipnRF24AP2 and microcontroller al'e used and the software is programmed through Visual Basic 6.0，which can achieve real-time detection.The temperature，pressure can be detected，saved and printed online.The experiment shows that the system ischaracterized by steady performance，convenient operation and cost-efective to meet the testing requirements of the hydrauliccomponents and plays an important role in the other hydraulic system。

Key words：hydraulic system；wireless technology；low power consumption；nRF24AP2随着社会 的不断发 展 .液压系统在 机械行业 和领 域 中起着举足轻重的作用。液压系统工作状态与可靠性在对工程机械本身的工作性能与可靠性有很大程度的影响.因此如何设计好液压系统或维护好已有的液压系统尤其关键。液压油温度、油箱压力是液压系统中主要参数.实时对它们进行监测和控制，具有重要的意义。液压油温度过高时，加速橡胶密封件的老化 ，降低使用寿命 ；加速泄漏，液压泵容积效率和整个系统效率显著下降；加速油液氧化变质，油的使用寿命降低 ；零部件受热变形，破坏系统平衡等-1：液压系统的压力失常会降低执行机构部件速度和精度。实时监控这些参数直接反映了系统的运行状态∩以通过改变这些参数来调控整个液压系统 ，达到更好的控制效果冈。因此.本设计旨在实时的监测液压系统的液压、液压油的温度 .以防系统参数变化而导致的系统工作不稳定，并能对相关数据进行分析、处理，从而为液压系统的故障诊断提供依据。

1 系统总体方案设计本系统是-个 由多个无线传感器节点(发射节点)和中心节点(接收节点)通信构成的-个典型的无线传感器的拓扑结构。发射节点主要是完成参数的采集，比如温度、压力和流量∮收节点作为数据的接收和处理中心，采集来 自发射节点传来的数据 ，作为显示、存储 、处理，并把相关的数据传收稿 日期 ：2013-03-11 稿件编号 ：201303125到PC机 .还可以把采集的信息通过 GSM 以短信形式通知用户。PC机主要完成数据存储 、实时显示等 ，以便进行历史数据查询和报表的生成打樱具体如图 1整体系统框图所示。

- - - - - · - - - - - - - - - - - - · - - - - - - - - ' r- - - - - - - 。 - - - - 1压圃 图 l 系统整体框图Fig.1 System block diagram2 系统硬件设计2.1 单片机通过对系统的分析和研究，在充分考虑可靠性、经济性、安装简捷性 ，节点电路设计体积要小，采用 2051单片机作为控制器。对于接收节点，考虑到要接显示拈电路，所需引脚数较多，刚采用了 AT89S5l翻。

2.2 传感器温度传感器采用单片集成两端感温电流源 AD590，测温范围为-55～150℃，非线性误差仅为±03 ，精度高 ，其输作者简介：黄 莺(1980-)，男，广西武宣人，硕士，副教授。研究方向：智能检测与控制技术、物联网技术应用。

- 96-黄 莺 基于nRF24AP2的无线液压参数检测系统设计出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准，每增加 1℃，它会增加 l ILA输出电流，输出电流与绝对温度成比例。在室温25℃时，其输出电流 Iout(27325)298 A。电流经过电阻分压输入到信号放大电路进行处理后接入 A/D转换器。具体的电路如图2所示。压力传感器采用的是 AP801系列传感器。AP801系列压力传感器是陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷压阻压力传感器，测量精度高、稳定可靠。本传感器量程为0-20 MPa。供电电压为5～3O V。由于传感器输出电信号较小 .必须经过信号放大电路处理，再输入到 A/D转换器进行信号转换。

2-3 AD 转换 电路TLC549是 1rI公司生产的-种低价位、高性能的8位 加 转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D转换，其转换速度小于 17 s，最大转换速率为 40 000 Hz，4 MHz典型内部系统时钟，电源为 3 V至 6 V。它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统 。MCU与 TLC549连接电路图如 图 3所示 。CU(、VIN、DO、CS分别连接到MCU的引脚上，实现与MCU之间的通信。

VCC图2 AD590温度传感器电路图Fig.2 AD590 temperature aensor circuit diagram5V图 3 AD转换 电路Fig.3 AD conversion circuit2.4 无线发 射和接收电路nRF24AP2是 Nordic公司低成本高性能的2.4 GHz无线系列成员之-.是目前市场上最低功耗的组网协议应用方案。支持简单的点对点网络到复杂的组网应用，内嵌 ANT无线网络协议堆栈。只需极少的外部微处理器资源。就可 以在产品应用中启用 ANT连接。因此开发者无需关注其无线协议的细节及过程，无需关注如何实现低功耗及唤醒，只需根据应用需要对节点进行网络配置就可以完成网络 的构建及应用。大大加快了开发周期。主控单片机可以通过控制输入引脚 PORTSEL引脚 的电平状 态实 现不 同的模 式通信 ，PORTSEL引脚设为低则选择异步模式，PORTSEL引脚设为高则选择同步模式；由BR3、BR2和 BR1设置通信的波特率。

3 系统软件设计3.1 ANT协议分析3.1.1 节点和信道节点分为主节点(Master)和从节点(Slave)。信道是 ANT协议中最基本、最直接的通信路径.用以连接节点完成通信。

由于其采用 TDMA机制。所以某-个节点在作为-条信道的主节点的同时也可以作为另外-条信道的从节点。每-个节点通常由-个 MCU和-个 ANT芯片组成 ，MCU可以采用同步或异步的串行接口来实现数据的通信。

3.1.2 ANT数据ANT无线网络的基本工作方式有广播方式、应答方式方法和突发方式。因此主节点向从节点发送的数据对应的有广播数据、应答数据和突发数据。信息在数据链路层以帧为单位进行传送 ，分配各个信息字段含义的组织方式称为帧格式。每-个信息以-个同步字节开始并-个校验和结束，字节传输的是低位在先。信息结构如表 1所示。

3.1.3 信道配置和节点 配对ANT节点之间实现通信之前 ，必须对节点进行配对，对信道参数进行配置。对信道参数的配置包括以下几个方面：网络号，射频频率，信道类型，信道周期和信道 ID。

在信道参数配置时，要求主从节点网络号 、射频频率和信道周期等参数设置完全-致 ，信道类型设置也必须--对应。对于信道 ID参数。应该按照从节点遵循主节点的参数设置的原则进行配置。只有具备有相同信道 ID的节点才允许配对。这-部分参数的配置，通过串II方式在 ANT协议内部进行设置和控制即可。

3.2 应用层协议设计通过串口方式在 ANT协议内部对用户数据部分进行设置和控制。ANT协议基本数据帧中有 8个字节可以由用户进行分配使用。具体如表 3所示。

Daml和 Data2作为从节点地址.在通信之前由主节点设置初始化共享信道。从节点可以根据数据包中的地址判断数据包是不是发给自己，如果 目的地址与 自己的地址相同，则进行相应的的数据处理 ，如果不是 自己地址，不进行任何处理 。Data 3表示数据包 中包含的用户数据类型，这个可以用来对不同参数的控制。Dam4Data8长度可变.由用户自行定义。

3.3 节点底层设计节点底层设计主要完成与硬件的通信控制 ，主要包括硬- 97-《电子设计工程)2013年第 17期芒 l l5- vccT-r]-r、r Y - 堂墅苎 e； Gl ”!- 曼I-il 馨 。 ( 厶] ·铡亨 ” U1 。 器。 L------J 厂 镒 ] --lOmH j .L 船 9] 。

圜暖 趾。 - 工、 日2 - 。 。 。 。 - %ag 0 墨 / ；Z；F，7图 4 nRF24AP2电路 图Fig.4 nRF24AP2 circuit diagram襄 1 ANT信息结构表Tab.1 ANT information structure tablesync Msg ngtI Msg ID Channel Number Data1 Data2 DataN Check sum表2 信息内窖组成表Tab.2 Information content table字节拌 名称 长度 说明裹3 用户数据构成表Tab.3 User data constitute sheet件初始化、MCU与nRF24AP2芯片间的通信。

3.3.1 硬件的初始化这-功能主要是设置硬件工作的方式。MCU可以通过控制输 入引 脚 PORTSEL引脚 的 电平状 态 实现 不 同 的模式 通信 ，PORTSEL引脚设为低则选择异步模式，PORTSEL引脚设为高则选择同步模式 ：由BR3、BR2和 BR1设置通信的波特率。同时设置 SUSPEND为高。SLEEP为低。

3.3.2 MCU与 nRF24AP2芯片间的通信MCU与 nRF24AP2芯片间的通信用异步串口的方式进行通信。数据流是通过RTS信号进行。RTS信号将在接收到- 个格式正确的消息后拉高大约 5O s时间。RTS信号周期与速率无关。当ANT将 RTS信号置高后，主控 MCU将不会再发送任何数据 ，直到 RTS信号再次拉低。从 ANT到主控- 98-MCU方向没有数据流控制信号，所以 MCU必须具备随时接收来自ANT数据的能力。数据的读写过程是：发送数据时，先把数据放人串口缓冲区，通过串口发送出去；接收数据时，先将接收到的数据写入接收缓冲区。然后再从缓冲区中读取相应的数据。

3.3.3 上位机监控通信软件的实现上位机能够实时在线采集、显示 、存储与查看及数据处理等功能。VB6.0不但提供了良好的界面设计能力，还提供MSComm控件。在实际设计中，只需设置 MSComm控件的属性和事件。然后按照相应的通讯规约就可以实现串行通讯 ，非常方便。

4 系统测试4.1 测试 环境测试在上述的3个节点组成的无线网络中进行 ，中心控制节点通过串口与 PC机进行连接。通过 PC上的液压监控系统完成对 2个从节点温度和压力数值进行采集。