声发射监测仪无线远程通信的实现

邵 帅，熊庆国，熊 斌，周 弦

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081）

目前有很多远程传输方式，大致可分为有线和无线2种。由于有线方式布线过于繁琐且不适合在偏远、环境恶劣的地区应用，故无线数据传输被广泛地应用于工业、地质等自动监测方面。无线远程通信通常有以下方案：1）是利用GSM、CDMA等一些公网资源进行无线传输；2）是利用单片射频收发芯片加上微控制器和少量外围器件构成无线通信模块进行无线远程传输。因此，这里提出一种基于第2种方案的声发射监测仪无线远程通信系统。

1 系统设计概述

大多数材料形变和断裂时会有应力波即声发射的产生，声发射信号人耳是不能直接听见的，需借助灵敏的仪器，即声发射监测仪[1]。

该系统为8通道声发射监测仪，拟在滑坡面的不同空间位置放置8个传感器探头，用于信号采集。无线通信模块需要将8路数据信息发送到PC机，同时接受PC机的控制。该声发射监测仪主要由探头、信号采集器、收发器、主机及电源组成。系统框图如图1所示。该监测仪是滑坡破裂面追踪定位系统，主要功能是对声发射信号进行源定位。

信号采集器能够提供不同的高通、低通截止频率和运算放大器的增益，可通过上位机控制对其进行选择。控制器采用低功耗单片机MSP430F149，该单片机内部集成了12位的A/D转换器，自带60 KB的Flash存储器，可满足信号采集单元要求的高精度A/D转换电路和数据信息的暂存。在采集声发射信号波形信息的同时，还要求准确记录信号到达时间，故在微控制器外围需增加时钟芯片，以便准确记录时间达到毫秒级以上。收发模块采用射频芯片nRF905实现无线数据收发。

图18通道声发射监测仪系统框图Fig.1 System diagram of 8-channel acoustic emission monitor

2 无线通信模块

无线通信模块由基站中心和现场节点等单元组成。基站中心单元处于后方监测房内，负责与中心控制器的连接，接收现场节点单元发送过来的数据信息，同时可以发送控制信息经校验处理后发到节点单元，完成对现场采集模块的一些控制工作。中心控制器即监测房上位机显示并存储现场采集数据信息，并可控制不同通道的一些工作。

现场节点单元在滑坡面的不同空间位置，即安放传感器探头处。负责将传感器探头传出的信息经过放大滤波以及微控制器处理后经由节点单元发送到基站单元，并可以接收基站单元的信息。

2.1 nRF905简介

该无线通信模块主要采用挪威Nordic公司推出的单片射频芯片nRF905。工作在433/868/915 MHz的ISM频段，多通道工作且通道切换时间小于650 μs。由完全集成的频率调制器，带解调器的接收器，功率放大器，晶体振荡器和调节器组成，无需外部SAW滤波器。ShockBurst工作模式的特点是自动产生CRC和前导码。可由片内硬件自动完成曼彻斯特编解码，使用SPI接口与微控制器通信，外围配置简单。并且其功耗很小，以-10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，在接收模式时电流为12.5 mA。进入Powerdown模式很容易实现节电。在无线数据通信、报警及安全系统、遥控勘测等方面广泛应用[2]。

2.2 硬件连接

2.2.1nRF905与单片机MSP430接口电路

nRF905利用SPI口实现与MSP430的双向通信，有4个SPI接口引脚[3]：MISO（主 SPI输入、从 SPI输出）、MOSI（主SPI输出、从 SPI输入）、CSN（SPI使能）、SCK（SPI串行时钟）与MSP430的SPI接口连接。nRF905的输入输出信号与MSP430的其他几个I/O相连接。nRF905与单片机MSP430连接如图2所示。

图2nRF905与MSP430接口电路Fig.2 Interface circuit of nRF905 and MSP430

天线在无线传输中具有重要作用，是收发信号的关键部件。nRF905具有高灵敏度，即使用无增益的PCB天线传输距离都能达到300 m，本设计采用阻抗天线设计，以差分方式连接到nRF905，比内置的PCB天线传输距离更远。

2.2.2nRF905与PC机连接

nRF905与PC机的通信是通过单片机经MAX3232进行TTL电平和标准的RS232C电平转换实现与PC机的RS232串口通信的。将现场采集到的数据通过无线模块传送到上位机通过界面显示出波形，且通过上位机控制各个通道的工作。nRF905与PC机通信连接如图3所示。

图3nRF905与PC机通信连接图Fig.3 Communication connecting diagram of nRF905 and PC

2.3 软件设计

MSP430可以通过I/O口控制nRF905的3个引脚，控制低功耗的PWR_UP、正常工作的TX_EN和选择发送还是接收方式的TRX_CE。nRF905有2种活动（RX/TX）模式和2种节电模式，其模式转变是由TRX_CE，TX_EN，PWR_UP1来设置的。如表1所示。

表1nRF905工作模式Tab.1 nRF905 working mode

在掉电模式中，nRF905被禁止，处于不活动状态，电流消耗最小，在此模式中配置字的内容是保持不变的；在待机模式中，nRF905在保持电流消耗最小的同时保证ShockBurst TX和ShockBurst RX的启动时间最短；在ShockBurst RX模式中，AM（地址匹配）和DR（数据准备就绪）信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成；在ShockBurst TX模式中，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，DR通知MCU数据传输已经完成。ShockBurst技术使nRF905能提供高速的数据传输速率。nRF905在降低MCU的存储器需求同时可以缩短软件开发时间。

2.3.1SPI接口

SPI接口由状态寄存器（Status-Register）、RF配置寄存器（RF-Configuration Register）、发送地址（TX-Address）、发送有效数据（TX-Payload）、接收有效数据（RX-Payload）5 个寄存器组成。由执行寄存器的回读模式来确定寄存器的内容。

SPI接口可以进行多种形式的操作[4]，主要包括读写射频配置、读写收、发地址和数据等，为了区分SPI端口对nRF905进行不同的操作形式，nRF905设置了7种不同指令。当CSN为低时，SPI接口开始等待一条指令，任何一条新指令都是由CSN从高到低的转换开始。

2.3.2nRF905配置与收发流程

nRF905的所有配置都通过SPI接口进行，只有在掉电模式和待机模式是激活的。

基站中心单元与各现场节点单元的通信采用轮询方式[5]。当上位机需对某一通道截止频率和放大增益进行调整时，通过各现场节点模块不同的地址信息进行区分。

无线传输模块的基本发送流程如下：

1）MCU将PWR_UP置高，使nRF905进入待机模式；

2）当MCU有数据要发送时，将TRX_CE和TX_EN置高来激活ShockBurst TX模式；

3）通过SPI口，将发送地址和要发送的数据分别写入发送地址寄存器TX_Address和发送有效数据寄存器TX-Payload；

4）nRF905根据寄存器设置自动在数据包中加入前导码和CRC循环冗余校验码，采用曼彻斯特编码，以GFSK方式发送出去。发送完成后，数据准备就绪（DR）信号置高通知MCU数据传输完成；

5）AUTO_RETRAN被设置为高，nRF905将连续发送数据包，直到TRX_CE被置低；

6）当TRX_CE被置低时，nRF905结束数据传输并自动进入待机模式。

其发送流程如图4所示。

图4nRF905发送数据流程图Fig.4 Flow chart of nRF905 sending data

接收流程如下：

1）通过设置 TRX_CE为高，TX_EN为低，使 nRF905进入ShockBrust RX模式；

2）650 μs后，nRF905 进行监测频道使用情况；

3）当监测到有和接收频率相同的载波时，载波检测（CD）被置高。此特性对避免工作在相同频率的数据碰撞有效，可在准备发射数据时先进入接收模式判断CD信号，从而有效避免数据冲突；

4）当接收到与自己地址相匹配的有效地址时，地址匹配（AM）被置高。即该数据是发给自己的；

5）当接收到的有效数据包，对CRC进行校验，正确时去掉前导码、地址和CRC段，将数据保存在接收有效数据寄存器RX-Payload中。DR被置高，MCU可以以合适速率通过SPI口读取数据；

6）MCU将TRX_CE置低，nRF905进入待机模式。当所有有效数据被读出后，nRF905将AM和DR置低，为下次接收做准备。

其接收流程图如图5所示。

图5nRF905接收数据流程图Fig.5 Flow chart of nRF905 receiving data

3 通信协议

本系统无线通信部分主要由监测房中主机所连接的基站中心节点与现场8个传感器探头所连接的节点收发模块相互间收发数据，并通过异步串口完成。故这里采用一个简化的点对多点的通信协议[6]。当无线数传模块收到PC机的串行口数据后，首先判断收到的是控制命令，接收数据还是发送数据。若是控制命令则执行相应操作；若是发送数据则先将要发送的数据送到缓冲区中，同时将模块的状态转换成发射状态；若是接收数据，则将无线传输模块的状态转换成接收状态。数据包遵循事先定义好的传输协议，从而能够识别噪声和有效数据，避免其他信号干扰。通用数据传输协议格式如图6所示。

图6数据包传输协议格式Fig.6 Protocol format of data packet transmission

图6中的数据包包括数据传送的目的地址、数据源地址、数据长度和要发送的数据。nRF905自动为数据包加上字头和CRC校验。接收时进行CRC校验比较，若正确则发送接收确认。若不同即传送中出现错误，要求重新发送数据。

4 结束语

本文设计了一种基于nRF905的无线收发模块，已投入声发射监测系统，能够实现PC机与单片机以及单片机与单片机间的远距离无线通信，完成系统对数据收发的要求，避免了在较偏远地区布线及奔波的麻烦。通过无线数据传输实现在远离现场的监控室内实时掌握滑坡面有无破裂及危险的信息，并具有误报率低及抗干扰性强等特点，运行稳定，通信可靠。同时系统更换不同传感器类型可嫁接到其他多种环境中进行远程通信，具有广泛的应用前景。

[1]王永兵.声发射技术的研究进展[J].石油和化工设备，2009（7）：48-50.WANG Yong-bing.Progress in acoustic emission technology[J].Petroleum and Chemical Equipment， 2009（7）:48-50.

[2]Nordic VLSIASA.Single Chip 433/868/915MHz transceiver nRF905[Z].2004.

[3]Nordic Semiconductor ASA.nRF905 RF and Antenna Layout[Z].2004.

[4]李鹏，吕亮，谢仁宏.基于nRF905的无线数据传输设备设计[J].电子工程师，2007（3）：28-31.LI Peng， LV Liang， XIE Ren-hong.A design of wireless data transmission equipment based on nRF905 [J].Electronics Engineer， 2007（3）:28-31.

[5]郑军刚，吴成东，陈彪.基于nRF905的智能无线火灾监控系统设计[J].低压电器，2009（6）：38-41.ZHENG Jun-gang， WU Cheng-dong， CHEN Biao.Design of intelligent wireless fire monitoring system based on nRF905[J].Low-voltage Electrical Appliances， 2009（6）:38-41.

[6]郝妍娜，洪志良.基于MCU和nRF905的低功耗远距离无线传输系统[J].电子技术应用，2007（8）：44-47.HAO Yan-na，HONG Zhi-liang.A low-power long-range wireless data transmission platform based on MCU and nRF905 chip [J].Application of Integrated Circuits，2007（8）:44-47.