射频技术在工程机械仪表无线通信中的应用

王文娟曹卫洲赵应应

（1.西安艾力特电子实业有限公司，西安 710065；2.中大中国石油公司，西安 710075）

射频技术在工程机械仪表无线通信中的应用

王文娟1曹卫洲2赵应应1

（1.西安艾力特电子实业有限公司，西安 710065；2.中大中国石油公司，西安 710075）

在工程机械仪表无线通信中，针对环境因素导致大型工程机械信号与驾驶操控室仪表异地显示等异常问题，需要借助射频模块nRF2401的有效应用，实现无线数据通信的功能。本文主要对射频芯片nRF2401的工作原理及特点进行详细说明，并给出了无线通信系统硬件结构、接口电路及相应程序框图。

射频技术 工程机械仪表 无线通信

近年来，很多工程机械正朝着大型化的模式发展，这必然会造成驾驶操控室回转操作难度加大，长距离工程操作也变得日益普及。射频无线通信技术大力发展，可实现大型工程机械驾驶操控室无线通信信号传输，大大解决了线缆传输中存在的不足，所传输的信号稳定性高且质量也有所保障。

1 工程机械仪表无线通信中的射频技术技术

WLAN技术是一种很常见的WI-FI技术，具有很多优势，但也有不足，尤其是其射频技术不完善，致使使用中存在很多安全隐患。与无线通信技术对比，WiMax技术最近几年才出现，只用极少企业会使用WiMax技术。LMDS技术是一项综合型的业务系统，可以满足人们形式多样的业务需求，同时还具有视频功能、数据功能等，但其易受天气因素的影响，限制了无线信号传输距离。MMDS技术在一些大雨、大风等恶劣天气下，无线信号质量受干扰程度较大。另外，此技术对信号传输效率有着很高要求，发展到今天，还没有形成统一的、完善的标准。在实际运用过程中，集群通信技术具有利用率高、容量大、抗干扰能力强等优势，能够很好地保障传输无线信号的效率。不过，在无线通信技术的发展下，它在具体运用过程中还需要不断完善，进而得到更为广泛和普遍的使用。

2 通信系统硬件及软件设计

2.1 系统结构及工作原理

射频芯片nRF2401系统主要由两部分组成：一是发射机，发射机的主要作用是对现场各类仪表信号进行数据采集、存储以及数据发送工作；二是接收机，主要作用是对LCD显示仪表参数进行控制，并向发射机传送相关指令。该系统主要采取的是半双工模式通信，即在收发信号中需要按键以实现模块的转换，而且LCD上能够对收发器的状态进行实时反映，以便于操作人员发现异常时及时采取有效的措施加以改进。此外，由于发射机与接收机的控制单元部位均配置有标准的RS-232接口，因此可以对所获取的数据进行准确的分析与处理。

2.2 通信系统软件无线通信模块

在系统软件的设计过程中，主要是借助IAR Embedded Workbench平台上开发的C代码程序实现的。发射机程序在设置时需包含数据的采集、发送以及显示等模块，而接收机程序在设置时应包含无线数据的接收、地址以及PC机通信等模块。与此同时，在发射机与接收机上都应预留一个收发命令的接口，以便后期工作所需。无线通信模块的作用是实现对nRF2401系统的初始化和无线数据收发功能。

数据包协议格式，如表1所示。

表1 数据包协议格式

在表1中，PRE-AMBLE主要为8bit前导码，借助硬件系统进行自动加入；ADDRESS为32bit，用来发送地址码；PAYLOAD至少为208bit，用以实现数据的传送；CRC是由内置CRC纠检错硬件电路自动加上的校验和。

通信程序正式启动后，系统首先会对MSP430F149初始化、A/D初始化、LCDYJD12864初始化、nRF2401初始化。待初始化工作完成后，即可按键中断。其次，系统应根据需要设置收发健以及空闲健，在工作中若需接收信号，则只需将按键进行闭合处理。借助MCU的P2.0引脚控制nRF2401的CE端。当系统需要发送程序时，则应直接写入nRF2401发送配置字，再置CE端为高，nRF2401即可进入发送模式。通道1地址和发送数据由P2.7（DATA）引脚依次写入nRF2401的缓冲区，nRF2401自动加上字头、CRC校验码，将数据包以一定的通信速率发射出去。接收程序可实现对数据的连续接收工作，如需暂停或者中止数据的接收，只需按下发送键或者空闲键即可退出程序，返回到起始状态。

2.3 通信系统硬件nRF2401收发器工作原理

在该系统中，发射机与接收机的控制单位所使用的是由同一公司生产且型号相同的MCU器件。该芯片具有如下优点：一是具备超大的存储空间；二是能耗低；三是可实现高速运转。由于该系统中无线通信模块所采用的是单片集成射频无线收发器nRF2401芯片，因此可在大范围内实现信号之间的传递。nRF2401芯片使用的是5mm×5mmQFN封装。芯片虽小，但内部功能却较为齐全，设置有地址解码器、时钟、解调处理器等功能模块。以-5dBm功率发射时，工作电流可达10.5mA，接收时工作电流为18mA。

nRF2401工作原理可基本概括为：2种通信方式、1个配置字、2个通道和4种工作模式。两种通信模式：一是ShockBurstTM（突发模式），在此种模式下，收发数据主要由nRF2401自动处理数据包字头、地址和CRC校验码加以实现，突发模式受外界因素影响的程度较低且能起到节约资源的目的；二是Direct Mode（直接模式），若采取直接模式，则数据包字头、地址等内容必须在通信程序中进行有效处理。一个配置字主要是指nRF2401内置状态字寄存器，主要用来设置芯片的工作参数。在ShockBurstTM方式下配置字为15B，Direct Mode方式下配置字为2B。由于nRF2401具有ShockBurstTM技术，当信号被传输过来时，可由两个相互独立的专用通信进行有效接收。通道1、通道2和一般通道只能接收数据。若在通道2上连接一个天线接口，可同时实现两组数据的接收工作。但是，通道2不是在任何频率状态下都能实现数据的接收。只有当它比通道1的频率高出8MHz以上时，才能进行正常的接收工作。nRF2401所具有的四种工作模式如表1所示。

表1 nRF2401工作模式与引脚信号对应关系表

nRF2401收发器在工作时，首先进行的是配置模式，系统会启动初始化程序并输入配置字，配置字的最后一位应明确指定2401为收发状态；其次，借助控制器将信号传输出去，使得nRF2401迅速进入收发模式工作。在信号收发交互过程中，一方可进入空闲模式中，等到所有的数据被传输完成后，系统会自动进入关机模式中。

3 试验结果及结论

分别将该系统在室内走道部位以及室外开阔地段进行了无线数据的传输试验，并对数据的传输距离以及误码率进行了准确测定与评估。在室内，走道传输距离为70m，而在室外开阔地段传输距离可到100m。再加之nRF2401芯片中设置了一定的CRC纠错电路和协议，可为数据传输的稳定性提供可靠的保障。在此次实验中，接收数据均显示正常，无异常情况发生。

4 结语

射频无线通信技术大力发展，可实现大型工程机械驾驶操控室无线通信信号传输。而射频技术在工程机械仪表无线通信中的应用，可有效解决当前所面临的长距离信号传输的不稳定性，缓解传统电缆传输中存在的不足，具有传输速率高、安全可靠等优点。

[1]李会敏.射频技术简介及应用[J].叉车技术，2010，（1）：9.

[2]杜云明，周杨.无线射频识别技术与应用研究[J].自动化技术与应用，2010，（5）：52-55.

Application of Radio Frequency Technology in Wireless Communication of Engineering Machinery

WANG Wen-juan1,CAO Weizhou2,ZHAO Yingying1
(1.Xi’an chelite Electronic Industrial Co. Ltd, Xi’an 710065;2.China Petroleum Corp, Xi’an 710075)

In the construction machinery instrument in wireless communication, according to the environmental factors that lead to large engineering machinery driving signal and control room instrument remote display problems, need to effectively using nRF2401 RF module, wireless data communication function. This paper gives a detailed description of the working principle and characteristics of the radio frequency chip nRF2401, and gives the hardware structure, interface circuit and the corresponding program block diagram of the wireless communication system.

radio frequency technology, engineering machinery, wireless communication