基于nRF24L01的色选机无线数据传输系统设计

马常松 王雪梅 许丽萍

摘 要：色选机的无线数据传输系统可实现快速布局，也可将多台色选机组网进行统一管理。该系统采用高速低功耗的nRF24L01作为无线收发器，采用LPC1768作为微处理器，实现系统间数据的高速传输。该文详细论述了无线单元的组成结构及硬件设计，根据色选机功能系统需求设计无线传输协议架构，并进行了相应的软件设计。通过实验验证，该无线数据传输系统性能良好，实用性较强，降低了因线路问题引发色选机故障的概率，进一步提高了色选机的智能化。

关键词：无线数据传输 nRF24L01 无线单元 传输协议

中图分类号：TN919.72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（b）-0059-04

Abstract：Wireless data transmission system of color sorter can help assemble quickly and connect sorters to be a net and realize management together.The system adopts low power wireless digital transmission chip—nRF24L01，and LPC1768 as microprocessor to do high speed data transmission between systems.This paper introduces structure and hardware design of wireless unit.According to sorter functions demands，designs protocol structure and software of wireless data transmission.Through experiment testing，the wireless data transmission system running stable and reliable.It has high practicability and reduces line fault probability of sorter.It helps improve intelligent of color sorter.

Key Words：Wireless data transmission；nRF24L01；Wireless unit；Transmission protocol

色选机由多个功能系统构成，通过人机界面的控制系统输入各种指令实现各系统间协调工作。各系统分布在色选机不同位置，控制系统与其它系统间通过数据线连接实现数据传输。各系统间数据线多次往返长度过长，同时不可避免要与电源线并行，数据信号会受到影响。当出现线路问题时不易查找问题源，工作环境较恶劣会出现线路老化现象。在一些规模较大的应用场所，会同时使用多台色选机组成一整条生产线工作，每台色选机配备一套控制系统，这就需要配备多名操作人员实时在色选机周围进行维护，对于用户来说成本较高且不便于操作人员的统一管理。

采用无线方式进行短距离通信是当前的热点，无线数据通信不用布线，可实现快速布局。基于nRF2401的无线数据传输系统既可实现单台色选机不同系统间协调工作，也可将多台色选机组网进行统一管理，具有有线数据传输无法比拟的便捷性。

1 色选机无线数据传输系统整体设计

色选机的主要功能系统按分布位置主要分为：控制系统、前检测处理系统、后检测处理系统、剔除系统、其它系统（包括喂料、照明和辅助控制系统）。处在不同位置或空间的功能系统之间是需要进行数据通信，为此设计了无线数据传输的基本单元——无线单元，主要由MCU和无线传输芯片组成。每个功能系统配备一个无线单元，通过无线单元实现各系统间的数据传输（图1）。

2 无线单元硬件设计

无线单元中无线传输芯片采用NORDIC公司的nRF24L01，其工作于2.4～2.5 GHz ISM频段。可通过SPI写入数据，最高可达10 Mb/s，数据传输率最快可达2 Mb/s，并且有自动应答和自动再发射功能。无线传输芯片采用发送和接收两种工作模式，根据MCU发送的配置字在发送模式和接收模式间进行转换。nRF24L01启用6个通讯信道，每个信道可分别设置地址。两个无线传输芯片通过对相同信道设置为相同地址，便可实现数据的传输。nRF24L01芯片及其外围电路如图2所示。

MCU采用NXP公司的LPC1768控制器，其操作频率可达100 MHz，LPC1768微控制器的外设组件包含高达512 kB的flash存储器、64 kB的数据存储器、4个UART、2个SPI接口。由于LPC1768在无线单元中起到中转站或翻译机的作用，通过1路串口与色选机功能系统直接相连，接收指令和数据。通过SPI与无线传输芯片连接，向无线传输芯片发送设置指令和数据。拨码盘是为了区分与不同系统相连的无线单元，MCU对拨码盘数值进行读取，根据不同数值设定无线传输芯片启用不同信道并设置信道地址。

nRF24L01与LPC1768的连接电路原理图如图3所示。

3 无线数据传输协议架构

nRF24L01只有6路数据通道，单台色选机有5个功能系统，nRF24L01的6路数据通道可满足数据传输需要。但有时一条生产线配备至少2台以上的色选机，功能系统总数量便会超过nRF24L01的数据通道数，为此设计了以下的无线数据传输协议架构。

在无线单元上设置两套四位拨码盘，拨码盘1可实现对16个设备的识别，如表1所示，拨码0000指定为控制系统，其它拨码对应色选机设备。拨码盘2可实现对5个功能系统的识别，表2为色选机设备对应的各系统编码。

无线传输芯片有6路不同通讯信道，每一路通讯信道使用不同的地址（如表3所示，地址可自行设置），只有两个无线传输芯片的相同信道设置为相同地址才能正确的通过该信道传输数据。控制系统的nRF24L01启用全部6路通讯信道，可接收其它功能系统的数据，其它功能系统根据通讯对象启用对应的信道。

不同色选机的相同功能系统信道地址是相同的，为了区分不同色选机的相同功能系统，将无线传输的数据包按表4格式进行传输。通过识别数据包中目的设备识别码，来判断数据是否应该接收。

4 无线数据传输软件设计

4.1 控制系统程序设计

控制系统的无线单元上电后进行初始化，主要包括：LPC1768的初始化、读取拨码盘编码设置无线传输芯片信道和地址。初始化后在无操作时控制系统的无线单元一直处于接收模式，控制系统将相关操作指令通过无线单元发到其它功能系统。当无线单元的LPC1768接到指令后，将无线传输芯片配置为发送模式。根据目标功能系统选择信道，并将要发送的数据按表4的数据包格式打包，通过特定的信道发送出去。发送完成后自动切换回接收模式，等待接收应答指令。在规定时间内未收到返回指令则重发，超过规定的重发次数后即报错（图4）。

4.2 其他功能系统程序设计

其他功能系统无线单元上电后进行初始化，完成LPC1768初始化和信道地址的设置。在无操作时一直处于接收模式，不同设备间的相同功能系统开启相同的信道号和相同的地址。当该信道接收到数据时要根据目的设备识别码来判断是否是属于自己，最终只有目的设备识别码匹配正确的功能系统才能接收完整数据。接受完数据后LPC1768将数据解析并发给功能系统进行处理，同时配置为发送模式，向控制系统发送应答命令（图5）。

5 系统实现

色选机系统间数据传输主要有两路：控制系统与各功能系统之间数据传输；前、后检测处理系统与剔除系统之间数据传输。从空间布局上，控制系统与前检测处理系统在同一空间位置，后检测处理系统、剔除系统和其它系统分别各在一空间位置，其中控制系统与剔除系统位置相隔最远。前（后）检测处理系统与控制系统之间的数据传输量最大，大约在2 000字节。

无线通信需要解决的最大问题是保证传输数据的准确性，即要求误码率低。误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=错误码元数/传输总码元数（100%）。因此分别测试控制系统与各功能系统间数据传输的误码率和丢包率。

实验数据显示色选机各功能系统采用无线通信的方式并未影响数据传输的准确性，很好的保证了系统间稳定可靠的通讯（表5）。

6 结语

该文设计了色选机的无线数据传输系统，采用该系统可帮助快速布局，同时实现多台色选机联网的操作管理。该文详细论述了无线传输单元的结构及无线传输协议架构，依次进行了软硬件的设计。通过实验验证，该无线数据传输系统性能良好，实用性较强，降低了因线路问题引发色选机故障的概率，进一步提高了色选机的智能化。

参考文献

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