基于无线传输的光电测速系统分析

李 勇

（长沙矿山研究院有限责任公司检测中心，湖南 长沙 410002）

1 概述

目前对提升速度的测量手段是采用光电转速表测量电动机轴的转速，再通过减速比和滚筒直径换算成提升设备线速度，或者采用测速发电机来测量速度。这些方法准确度低，同时检测检验手段也十分落后，主要体现在检测检验方法本身在检测检验过程中需要检测检验人员近距离手持测量，对检测检验人员的安全构成了威胁，存在很大的安全隐患，直接涉及到检测检验人员的生命安全。同时矿山井巷工作环境错综复杂，采用有线电缆传输数据会给检测工作带来些许不便。基于无线传输的光电测速系统较好的解决了上述问题，并提高了检测的安全性和数据的准确性。

2 无线传输的光电测速系统总体方案设计

本方案中，无线传输的光电测速系统设计时，系统主要完成光电模拟信号的采集和处理、无线收发系统传输协议构建、以及后端无线传输信号调制解调，最后实现速度测量，显示，存储等功能。

2.1 硬件设计

（1）光电信号采集发射端放大滤波电路设计：由于光电池输出的信号幅值小、频率高，因此放大电路要求所选器件频响快且噪声系数处于较低水平。本文信号放大电路采用二级放大，第一级的放大电路应用的场效应管对电压进行控制，第二级放大电路包括了两个LF353，利用元件噪声低，带宽高的特点，能够很好地将小信号的放大。滤波电路选择带通滤波，该滤波电路带通能达到20Hz～5000Hz，能实现测量速度0.08m/s～20m/s。

图1 系统总体结构图

（2）信号采集及处理电路设计：本文系统选择DSP（TMSC6713）作为信号处理芯片，其主频可达200MHz。A/D采样采用ADS7864芯片，12位精度，500k转换速率，6路差分输入，满足光电信号的采样速率要求。

图2 信号采集及处理电路

信号采集和处理电路如如图2所示，双极性输入电路，输入范围±2.5V，对应的ADS7864的输入端CHA0为0V～5V。TMS320C6713通过CPLD对ADS7864进行地址选通和读写操作。

（3）无线发射端硬件设计：本文无线发射和模块采用nRF24LE1。nRF24LE1使用与nRF2401+同样的内嵌协议引擎的2.4Hz GFSK收发器，无线模块可以配置CONFIG寄存器中的PWR_UP、PRIM_RX，rfce，rfcsn的值来实现四种工作模式；无线模块可以采用ShockBurst增强型模式发送数据，极大提高系统的节电和通信效率。nRF24LE1通过标准的SPI接口与TMS320C6713进行通信。

（4）无线接收端硬件设计：本文无线接收模块采用nRF24LE1。nRF24LE1与ARM处理器之间通过标准的SPI接口进行通信，标准的SPI主要包括MOSI、MISO、SCK、CSN共4个信号，然后将可屏蔽中断引脚（IRQ）、使能信号（CE）分别连接到ARM处理器上的外部中断接口。

（5）嵌入式ARM处理器S3C2440及外围电路：本文系统要实现速度的测量、显示和存储，系统选用普及程度高、成本低的S3C2440作为主控芯片。基于ARM处理器和无线模块电源要求，选用AMS1117-3.3芯片作为稳压芯片搭配旁路电容，为系统后端接收处理电路提供稳定电源。系统显示功能部分选用3.5寸，5V电压供电的WXCAT35LCD触摸液晶屏，测速系统需要分析时间、加速度和减速度，将TSYM和TSYP分别用来确定电阻触摸屏的X轴和Y轴坐标；VCLK为像素时钟信号；VLINE为行同步脉冲信号。存储模块选用SDRAM是256Mbit的同步DRAM芯片HY57V561620FTP，在系统上电后，使用一段引导程序将程序调入SDRAM中运行，实现数据的存储功能。

2.2 软件设计

（1）数据采集发送端软件设计：无线采集发射端主控芯片为nRF24LE1，因此发射端的软件设计其实就是对其内部的增强型51核微控制器的编程。发射端的电子开关选择，模数转换器的采样控制，无线发射都是通过在CCS（Code Composer Studio）环境下使用C语言编写并进行调试。系统上电后初始化、配置I/O口，完成初始化后进入程序主循环。数据采集子程序，通过定时器来控制中断实现采样，一个中断对应一个采样数据，以512次为一个采样周期，完成一个周期后将数据送入到数据处理模块。数据处理子程序，用于将传感器采集的数据进行Burg算法，得到速度和加减速度数据。数据发送子程序，系统上电后首先调用初始化程序，将CE置高，nRF24L01子系统开始工作，接受节点地址和有效数据按时序发送到nRF24L01子系统。系统将CE置低，激活ShockBurst方式，然后RF前端加电，按数据格式完成RF数据打包处理（加前缀，CRC校验），形成完整的数据包，按照配置速度完成高速发送。

（2）数据接收端模块软件设计：采用ARM为主控，nRF24LE1作为接收模块使用的。终端上电后Linux系统启动，用户可以通过触摸屏显示交互界面进行相关操作。主程序运行后，首先打开SPI、CE节点设备，然后对nRF24L01子系统进行初始化，配置接收地址和发射端地址相同，保持工作频率、接受数据长度与发射端一致。之后就进入循环状态，系统不停监听空中的信号，当收到数据包后，会比对地址，地址正确之后再做CRC校验，若是完全正确才接收至寄存器当中。每次接收一个数据包后，则返回继续监听等待接接收数据，接收到之后就通过SPI接口送至ARM处理器。

（3）嵌入式系统软件设计：ARM端采用Linux（ubuntu8.04版本）嵌入式操作系统作为系统的软件平台。通过U-Boot移植，内核裁减，文件系统的制作及Qtembedded移植搭建完成嵌入式系统。为了实现实时速度曲线的显示，创建一张画布QPixmap,将串口传来的速度数据作为纵坐标定时在QPixmap对应的像素处描绘点，然后依次连接这些点，同时考虑到阅读及管理，创建一个自定义Drawer类来实现了游标与显示界面的平移功能，流程图如图3所示。

图3 曲线显示程序流程图

嵌入式系统对数据的存储同样是通过文件来实现。程序中新建一数据文件（定义文件类型为DAT格式），使用QDatastream类将速度数据以二进制形式写入DAT文件，需要显示历史曲线时，将DAT文件中数据流以二进制读出。在使用流写入数据时，可以通过编程定义首先写入的是写入文件中速度数据总的个数，随后是各个速度值。

3 结语

本系统实现的是对检测检验数据的无线传输，显示和处理等功能，改变以往手持式测速电机测速的落后方式，改善金属非金属矿在用品现场检测的工作环境，保障人员安全，提高检测检验数据精确度，提升检验人员现场检测检验技术水平。

本系统采用数据采集、处理和无线传输结合起来，随着网络技术和通信技术的不断进步，抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少等特点使得短距离无线通信必然有更广阔的应用前景。