一种高可靠性、低功耗的工业行车遥控系统设计

王 军，刘和松，陈 辉

WANG Jun1, LIU He-song2, CHEN Hui2

(1. 北京京运通科技股份有限公司，北京 100176；2. 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100038)

0 引言

工业行车系统广泛应用于制造业室、内外组装、运输等工作中。如车间工字梁上安装的行车，桥式起重机，以及户外场合应用的“天车”等。其控制方法是由装在行车上的电控箱中引出的多芯电缆连接一手持操作盒，通过按钮控制行车各部分运动机构进行动作。在其操作工程中，操作者手持操作盒，眼睛盯着重物，同行车一起走动，很不方便；另外，处于户外的行车系统，其线缆长期受到风吹日晒雨淋，容易老化，需要频繁更换，使成本大大增加；严重时，在操作过程中有时还会发生短路，造成安全隐患。

为此，本文以一种典型的“三自由度”天车为例（“三自由度”指的是天车机架沿轨道的“前”、“后”运动，电动葫芦滑车的“左”、“右”运动，以及吊钩的“上”、“下”移动），为其设计了一种低功耗、低成本、高抗干扰能力的无线遥控系统。在半径100m的有效控制范围内，操作人员手持便携式发射机，即可自由走动，选择最佳视角及位置进行操作，不再受电缆长度的限制；同时，避免了频繁更换老化的电缆，在节约成本的同时，进一步提高了可靠性。

1 硬件设计

整个遥控系统由发送机和接收机两个单元组成。这两个单元基于单片机及单片无线收发芯片搭建。

1.1 单片机及无线收发芯片简介

P89LPC921是由NXP半导体公司开发的单片机，适合于要求高集成度、低成本的场合。其采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件，并集成了许多系统级的功能，可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。其片内集成RC振荡器，不再需要外接振荡器件。操作电压范围2.4～3.6V，适合采用电池供电。I/O口配置灵活，可配置为准双向口，开漏输出，推挽输出以及仅为输入（高阻抗）等四种输出模式。I/O端口可承受5V电压，可上拉或驱动到5.5V，且驱动能力强，每个I/O口都具备20mA的驱动能力。具备空闲和两种不同的掉电节电模式。典型的掉电电流仅为1uA，非常适合于低功耗设计。

nRF905是由Nordic半导体公司开发的单片GFSK（高斯移频键控）无线收发一体芯片，可工作于433/868/915三个ISM频段。其内部结构组成如图1所示[1,2]。

nRF905片内集成了频率合成器、晶体振荡器、功率放大器、调制/解调器等模块。曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。适合于低功耗应用的自动产生前导码和CRC校验。模块配置通过SPI接口实现。发射功率可调节，最大支持10dBm。工作电流消耗非常低，在输出功率-10dBm的情况下，发送仅需要9mA，接收需要12.5mA。而ShockBurstTM模式以及内建的节电模式，都为低功耗设计提高了必要的支持。该芯片因此性能优良，应用方便，广泛应用于无线数据通讯，报警安全，遥控，工业传感器等领域[3,4]。

图1 nRF905内部硬件结构图

1.2 发送机设计

发送机为手持设备，其主要功能是发送按键状态给接收机，从而使接收机接收到按键状态后进行动作。其硬件系统框图如图2所示。

图2 发送机硬件结构框图

发送机采用两节1.5V电池供电。为简化设计，单片机的时钟采用内部时钟，无需采用外部晶振。其中，单片机的P0口配置为仅为输入模式，P0.0～P0.5分别对应6个按键，即“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”六个动作；P1.3配置为开漏，用来接指示灯；其余IO口用于同nRF905进行通讯和控制，其配置见表1。

表1 发射机中单片机I/O口配置

?

1.3 接收机设计

一般来讲，接收机安装在被遥控的行车上，由行车系统的电源进行供电，无需像手持设备那样考虑功耗问题。但由于工作环境较为恶劣，存在严重的电磁干扰，因此必须重点考虑抗干扰设计。

接收机硬件设计框图如图3所示，其中，电源采用工业现场380V供电，滤波后，经变压器降压及桥式整流电路进行整流后，输出12V直流，给继电器供电，并再经三端稳压管7805及ASM1117变换成3V给单片机P89LPC921供电。单片机的P0.0～P0.6口配置为推挽式输出模式，驱动电路采用达林顿管ULN2003驱动7个继电器，其中一个是主电路继电器，另外六个分别对应“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”动作继电器，控制交流接触器的线圈通电，进而控制相应的电机动作。其余IO口用于控制nRF905接收数据，其配置同接收机相同，见表1。

图3 接收机硬件结构框图

作为面向工业应用的产品，本接收机的硬件设计提出了一些低成本但非常有效的抗干扰设计措施。首先，本行车系统工作于户外，有受到雷击而造成损坏的可能，因此，采用常用的压敏电阻并联于380V电源两端，并在电源线上串接熔丝，可以保证在雷击的环境下不至损坏整机。另外，供电电源取自工业现场，实验表明，天车上经常工作在重载频繁启、停的工况，给电网带来了较大的冲击，使得电源线中有较大的浪涌电压，使得单片机频繁受到干扰而复位，造成接触器触点频繁抖动。

为解决此问题，首先，在三端稳压器前端应用瞬变电压抑制器（即TVS管）缓解浪涌电压的冲击，抑制脉冲群干扰；其次，在单片机与ULN2003间，设计一阻容串联电路，并配合相应的软件代码，便可以确保及时在受到干扰后，接触器的通断状态也能得以保持，不致发生“抖动”。以P0.0口为例，图4及图5所示为该电路的工作原理。电容的充、放电电流为瞬态，用虚线箭头表示。其中，图4所示为未受到干扰时的正常工作状态下的情形。此时，电容C1随P0.0口输出状态而充放电，不影响继电器的通断。其中，P0口配置为推挽输出状态，电流驱动能力强。当输出为高电平时，电流经路径“1”驱动ULN2003达林顿管，继电器吸合，同时电容充电；当输出为低电平时，电流经路径“2”由单片机下拉晶体管放电，达林顿管由于输入电阻相对较大而几乎没有电流通过，继电器断开。图5所示为当P0.0口输出高电平时，单片机受干扰而复位（或由看门狗复位）后，电流的路径。在复位后，P0口首先被初始化为仅为输入模式（高阻态）。此时，P0口相当于断开，电容C1通过电阻R1以及达林顿管放电，此电流经达林顿管放大后驱动继电器。电容和电阻值的选取应使得其在经由P0口充、放电时，电流不致过大而损坏单片机，同时在其经过驱动达林顿管时，又能保持充足的放电时间，使得单片机在复位后能再次接收到发送机发射的信号，重新将P0.0口置为推挽输出模式，并输出高电平，继电器的吸合状态得以在单片机复位并重新接收到信号的时间内得以保持，避免抖动。按“三要素”法进行简单的计算并经过测试，电容选择33uF，电阻为150欧姆即可满足需求。

2 软件设计

软件设计的首要宗旨就是设计一套可靠的通讯机制，保证行车系统的安全性。最重要的原则是，接收机在通讯因某种原因而中断后（包括人为关闭发射机，或者受到干扰，或通讯距离过长等），行车上的所有运动机构必须及时停止运动，以避免造成严重后果。

图4 正常工作输出高、低电平时的电流路径

图5 单片机复位后的电流路径

因此，本遥控系统采用如下通讯机制：1）当发送机通电后，在没有任何按键按下时，每隔一定时间间隔发送数据至接收机，当接收机接收到数据时，仅保持主交流接触器的吸合；2）按键不设置自锁功能，当有按键按下且保持按压状态时，发送机每隔一定时间间隔发送按键状态给接收机，相应的接触器吸合；一旦松开按键，则接收端所对应的接触器立即断开，仅保持主交流接触器吸合；3）在一定时间间隔内，若接收机没有接收到任何数据，认为通讯中断或者发送机停机，断开所有交流接触器，确保停车。

2.1 发送机设计

作为采用电池供电的手持设备，发送机的软件设计在确保安全通讯机制得以实现的前提下，重点考虑低功耗设计，充分利用nRF905模块的ShockBurstTM模式，降低平均功耗。

发送机的主程序流程如图6所示。首先，对单片机进行初始化，按2.2节所讲对所有IO口的工作模式进行初始化，并关闭片上实时时钟，模拟电压比较器，I2C总线以及UART等外设的电源，最大限度的降低功耗；将nRF905的PWR引脚置位，TRX_CE引脚清零，延时3ms后，进入SPI模式，本例中配置如下：器件工作于433MHz频段（主要由发射天线决定），发射频率422.4MHz（可设定29=512种频率），发射功率10dBm，不自动重发数据，发送数据宽度为1字节，地址宽度4个字节，因此可指定232个不同地址，当作为商品时，可保证出厂地址永不重复，本机地址指定为CCCCCC01H。完成上述配置后，开启全局中断及定时器中断，并启动定时器T0。延时16ms后，启动键盘扫描程序，若有键按下，则将发送按键状态，并接通主交流接触器；若没有键按下，则仅接通主交流接触器。在按键合法性检查中，对同一电机的正、反转动作进行互锁限制，不发送非法按键状态。当检测到无效按键状态时，仅发送上一合法按键状态，忽略本次按键扫描结果。按nRF905的发送时序将按键状态数据进行发送，数据的编码为8位，各位定义见图7。其中，最高位“0”为保留位，第二位“1”表示主交流接触器为常通状态，其余各按键状态为“1”时表示按下，“0”表示释放。例如，若按下“右”和“下”两个按键，则其编码为“01000101”。在发送数据完成后，延时16ms后继续下个按键扫描周期。容易看出，16ms用来控制发送数据的间隔。这个间隔越短，反应的实时性越强，接收机动作反应越快，但发送机的功耗越大；反之，延长发送数据的间隔时间，可以节约发送机的功耗，但接收机的反应会变慢。在实际应用中，可根据用户的需求来调节此延时时间的长短。

为进一步降低功耗，发送机设计为在一分钟内无人操作时，自动转入待机模式。定时器功能由单片机定时器T0来实现。

2.2 接收机设计

接收机的软件以提高抗干扰能力为重点进行设计，确保接收机在恶劣工况下仍能保证行车系统的可靠动作。

接收机的主程序流程如图8所示。接收机启用了看门狗，看门狗的复位时间设定在80ms。当单片机受到干扰造成死机或程序跑飞时，看门狗将复位单片机。而后，初始化P0口为高阻态，使得在上电初始时刻，P0口的输出电平可以保持单片机复位前的状态。单片机及nRF905的初始化与发送机基本一致，特别要注意到是，nRF905的工作频率及接收数据的地址必须与发送机保持一致。在完成上述配置后，调用按键状态接收子程序，并把接收到的状态由P0口输出。

图6 发送机的主程序流程图

图7 发送机数据位定义

图9所示为按键状态接收子程序流程图。当nRF905进入接收模式后，对其DR输出进行查询，每3ms查询一次，查询7次。这样，在正常状态下，发送机一旦发送出数据，在3ms内就可得以响应。由于发送机的发送周期设定为16ms，查询7次共计21ms，完全可以覆盖发送周期，使得发送的数据不丢失。但这种方法仍然不能保证可靠性。原因在于，nRF905在受到干扰后会复位，而复位后其配置寄存器发生改变，其频率、地址等将不在同发送机一致，而导致无法接收到数据，只有人为断电重启后才能恢复。

为解决上述问题，在重复7次3ms循环后，若仍然没有接收到数据，则认为nRF905配置寄存器因受到干扰而发生改变，此时，重新对nRF905进行配置后再次接收，并为了确保不丢失数据，进行4次循环，即总计8 4 m s内仍然没有收到任何数据，则认为通讯中断（可能是正常停机指令，也可能是通讯受到多种因素影响而确实中断），此时关闭所有接触器，按停机处理。

图8 接收机的主程序流程图

图9 按键状态接收子程序流程图

3 测试结果

本无线遥控系统在某水泥管厂的户外天车上进行了约6个月的试用及实地测试。

在使用过程中，发送状态下平均工作电流为0.45mA左右。采用两节AAA电池，每天工作10小时情况下，约两个月更换一次电池，可见功耗较低。在半径100米范围内都可进行有效操作。接收机工作稳定，在现场严酷的工作环境下，接触器动作灵敏且触点无抖动，电机运转良好，无故障发生。验证了此系统具有低功耗，高可靠性的优点，且完全能适用于工业场合应用。

4 结束语

本文基于P89LPC921以及nRF905设计了一种工业行车遥控系统。以三自由度天车为例，以低功耗和高可靠性为目标，详细地介绍了系统的软硬件设计。经实地测试，整个系统具有低功耗、高可靠性等显著优点，具备可行性，且可以很容易推广到除天车以外的各种工业行车系统，在工业遥控系统的设计方面具有一定借鉴意义。

[1] Single Chip 433,868,915 MHz Transceiver nRF905[M].Nordic VLSI AS 2004.

[2] Nordic VLSI ASA nRF905 Product[S].Norway Nordic VLSI ASA 2005.

[3] 张晓健,李伟,张小雨.MSP430 和 nRF905的无线数传系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统,2006,(2).

[4] 蒋博.nRF905的无线数据传输系统[J].工业仪表与自动化装置, 2006,3.