基于单片机的工业无线遥控系统

何 宏 徐骁骏 张志宏,2

(1.天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津 300384；2.天津广播电视台传输发射部,天津 300072)

基于单片机的工业无线遥控系统

何 宏1徐骁骏1张志宏1,2

(1.天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津 300384；2.天津广播电视台传输发射部,天津 300072)

针对传统工业遥控存在的安全隐患问题，设计了一款基于C8051F120单片机的工业无线遥控系统。给出系统的总体结构、硬件组成与软件流程。对高压清洗爬壁机器人的测试结果表明：该系统发射端与接收端在比较恶劣的工业环境下仍能进行稳定的无线数据收发，控制精准，提高了工业现场远距离作业时的安全性和可靠性。

无线遥控系统 单片机 SI4432 无线通信

随着我国现代化工业建设的发展，对工程机械的要求越来越高，安全、稳定等因素已经成为目前遥控工程机械的必要条件。传统的工程机械控制方式，即线缆控制方式的弊端逐渐凸显，如布置电缆引线费时费力，电磁干扰通过线缆将耦合进系统，触发噪声[1]。因此，远距离无线通信代替传统人工操控方式已经成为工程机械信息化的必然趋势[2,3]。由此可见，工业领域爬壁机器人的无线遥控系统将有着广阔的应用前景。笔者针对目前市面上遥控工业爬壁机器人产品存在的安全问题[4]，结合工程机械的实际需求和遥控技术的发展现状，通过对嵌入式产品、无线通信技术的研究，设计了一款针对工程机械的稳定性强、安全性高且具有高度通用性的工业无线遥控系统。

1 系统总体结构

根据工业遥控系统的功能需求分析并结合实际情况，工业无线遥控系统主要由发射终端和接收终端两部分构成，两者之间通过无线射频模块进行通信，有线通信方式作为备用方案。

发射终端设计成便携式产品，由操作人员直接控制，对动作指令进行发送，并通过接收回馈信号来监控整个系统的运行。接收终端安装在泵车、天车及爬壁机器人等工程机械上，接收发射终端传来的控制指令，并通过工业总线传输给工程机械。

2 系统硬件部分

2.1发射终端硬件设计

发射终端(图1)由微控制器模块、通信模块和信号采集模块组成。以C8051F120单片机为核心，通过采集摇杆、旋钮及按键等模块的输入信号，产生相应的控制指令，并通过无线通信模块发送到接收终端上[5]。考虑到工业现场环境对无线通信的干扰，发射终端还设计了RS-485总线传输方式作为备用，增加系统的可靠性。

图1 发射终端结构框图

2.1.1微控制器模块

微控制器是整个遥控系统的核心器件，综合各种需求，选用C8051F120单片机。

C8051F120是完全集成的混合片上信号系统型MCU芯片，具有64个数字I/O口、片内VDD监视器、看门狗定时器、时钟振荡器、128KB的可编程FLASH存储器、8448(8K+256)Byte的片内RAM、硬件实现的SPI、I2C、两个UART串行接口和真正12位、100ksps(kilo samples per second)的ADC，带有PGA和8通道模拟多路开关，支持快速唤醒和最低0.9V的供电，多种电源管理模式，很好地满足了系统对遥控的要求。

2.1.2无线通信模块

射频模块硬件电路(图2)选用SI4432无线收发芯片，该芯片具有集成度高、功耗低等特点，适合在电池供电系统中进行无线收发工作。SI4432工作电压1.8～3.6V，适用于3.3V的控制电路中；可配置工作频段范围为315～915MHz(本设计采用433MHz频段)。SI4432内部集成了分级式天线、功率放大器及64Byte的收发FIFO等功能，且具有数字调制解调、定时唤醒等功能；数据传输比特率最高可达256kbit/s，采用FSK/GFSK/OOK调制，可配置数据包结构内部集成的功率放大器的输出功率可配置在1.3～100.0mW之间。为了使发射引脚达到最大功率，对系统内部的PA进行了匹配设计，其中包括切比雪夫滤波器和LC匹配网络两部分。

图2 SI4432射频模块硬件电路

SI4432与C8051F120单片机之间通过四线制SPI总线进行配置与数据传输，3个通用I/O引脚配置成发送/接收功能切换，类似一个单刀双掷开关。当C8051F120通过交叉开关配置好I/O口后，SI4432分别与C8051F120的SPI接口对应连接。C8051F120作为主机，通过SPI对SI4432内部寄存器进行读/写操作，当实际环境无法进行无线传输时，主机将SDN设置为高电平，关断无线通信模块，采用RS485总线通信方式。当SI4432发送数据完成、接收到数据或系统上电复位后，SI4432将中断输出引脚，nIRQ变为低电平，C8051F120接收外部中断，进入相应的中断服务子函数中进行处理。

2.1.3信号采集模块

信号采集模块电路如图3所示。

图3 信号采集模块电路

开关量通过独立按键进行采集。模拟量包括摇杆信号、旋钮信号和内部电池电压信号(表1)。这些模拟量均为电压信号，通过C8051F120的ADC0采集，它包括一个九通道的可编程模拟多路选择器、一个可编程增益放大器、和一个100kSps、10位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。

表1 7路模拟量输入

2.2接收终端硬件设计

遥控系统的接收终端安装在现场工业机械上，接收发射终端发出的控制指令，并通过工业总线的方式传输给工程机械，实现对工程机械的控制。接收终端的微控制器、通信模块与发射器的一致，其他部分的硬件电路根据不同的工程机械而变化。

3 系统软件部分

在KeiluVision4开发环境下，采用C语言对工业无线遥控系统程序进行开发与调试。整个程序由主函数、中断服务子函数和功能子程序构成。发射器主函数流程如图4所示。

图4 发射器主函数流程

无线遥控系统通信模块程序设计主要包括接口初始化、通信方式选择、数据读写程序、SI4432芯片初始化、RS-485接口初始化和控制指令收发程序。接口初始化包括SI4432工作频率、波特率、发送数据功率、工作模式、发送/接收数据包格式、内部功能模块、调制操作及FIFO模式等的设置。SI4432与C8051F120之间通过SPI总线通信，C8051F120作为主机向SI4432写入读写地址，然后读写相应寄存器的数据。具体读写程序流程如图5所示[6]。

4 系统测试与分析

为了验证无线遥控系统设计的可靠性，选取了一款高压清洗爬壁机器人进行测试。通过无线遥控机器人的前进、后退、左右转圈来进行遥控系统的通信试验。

图5 SPI读写程序流程

无线遥控系统发射/接收的中心频率433MHz，x轴范围为5MHz，y轴最大值为15dBm(间隔10dBm)，测试通信距离最高可达500m。设置完成后，给系统供电，由发射器发送行车指令。可以观察到，在设定的通信范围内，两个电机行驶速度基本一致。

5 结束语

笔者提出的以C8051F120单片机为主控芯片的无线遥控系统，有效解决了传统工业遥控存在的安全隐患问题，且系统体积小、安装方便、功耗低、无线传输性能优越、机械复杂度低、更换、维修方便。该系统在设计时预留了足够多的摇杆、按键灯信号采集接口和通用I/O口来保证系统的通用性，使系统易扩展、易改进，可以满足不同工程机械的要求。

[1] 朱正伟,张丹,王其红,等.无线遥控移动温湿度采集系统的研究[J].化工自动化及仪表,2013,40(9):1122～1125.

[2] 李晓海,南新元.GPRS无线通信在油井集中监控系统中的应用研究[J].化工自动化及仪表,2012,39(1):130～132.

[3] 赵志华,段志伟.基于无线通信技术的温室环境参数监测系统[J].化工自动化及仪表,2014,41(6):724～727.

[4] 刘付川.工程机械遥控装置的设计与实现[D].南京:南京理工大学,2014.

[5] 包立,王晓荣,程明霄.基于C8051F120的可燃气体无线报警系统设计[J].化工自动化及仪表,2010,37(12):66～69.

[6] 许永通.基于si4432的高性能无线收发系统设计[D].杭州:杭州电子科技大学,2014.

IndustrialRemoteControlSystemBasedonMCU

HE Hong1, XU Xiao-jun1, ZHANG Zhi-hong1,2

(1.TianjinKeyLaboratoryforControlTheoryamp;ApplicationsinComplicatedSystems,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China; 2.TransmissionandLaunchDepartment,TianjinRadioandTVStation,Tianjin300072,China)

Considering potential risks in traditional industrial remote control, a C8051F120 MCU-based wireless remote control system was designed; and its overall structure, hardware configuration and software process were presented. Applying it in wall-climbing robots for high pressure cleaning indicates that the data can be sent and

steadily between transmitting terminals and receiving terminals in this system even in unfavorable environments, which largely improves the safety and reliability for long-distance operation; its small size, easy installment, low power consumption and excellent wireless transmission can improve both safety and reliability in remote industrial application.

wireless remote control system,MCU, SI4432, wireless communication

TH862

A

1000-3932(2016)05-0513-04

2015-11-05(修改稿)

天津市科技支撑重大科技工程专项基金资助项目(14ZCDGSF00028)；天津市高等学校创新团队培养计划项目(TD12-5015)