基于NRF24L01无线通信的绞线机电气排线系统设计*

亓晓彬，诸进才

（广州铁路职业技术学院，广州 510430）

0 引言

当前社会科技飞速发展，电线电缆不可或缺、用量巨大，绞线机作为线缆生产中的重要设备市场需求巨大。绞线机，顾名思义就是将多条单股细线绞合在一起构成需要的多股粗线的机械设备，广泛应用于当今社会各行各业的各种电线线缆的绞制。绞线的基本原理就是把多条单线引入到绞线弓上，通过绞线弓的飞速旋转实现快速的绞制；但这一过程必须要有收线盘来配合，一方面将绞好的线缆排列收起，另一方面配合绞线弓完成绞线的动作过程[1-2]。而在收线工作中须要有排线机构通过左右运动将导线均匀的排列在收线盘上，并且随着收线长度的增加，收线盘的直径不断增大，对应的排线机构的速度就要不断变化。

传统绞线机为机械排线即排线机构的运动（包括速度和方向）是通过机械传动实现的，但其具有结构复杂、生产成本高、安装调试繁琐、绞线绞距变化时需要更换机械部件等缺点，已失去市场竞争优势[3-4]。本设计改进为电气排线即通过步进电机带动排线机构工作。因为绞线时绞线弓会快速旋转，而收线盘和排线机构位于绞线弓内部，所以采用电气排线时内外部数据传输需用无线通信（步进电机电源通过空间有限的中空轴引入）。绞线机电气排线系统主要由主控PLC 系统、无线数据收发系统、排线步进电机控制系统等组成。系统结构框架如图1所示。

图1 无线电气排线系统结构

1 S7-1200 PLC的Modbus通信

绞线机主控制器采用S7-1200 PLC，负责绞线机整体工艺的控制。因为排线步进电机的速度由绞线弓电机编码器的脉冲频率和S7-1200 下达的速度系数等决定。所以为了实现电气排线功能，S7-1200 需要将相关参数传送至无线数据发送端，主要通过RS485硬件模块组态、通信参数指令Modbus_Comm_Load设置、Modbus主站指令Modbus_Master和从站指令Modbus_Slave的调用等来实现。

1.1 RS485通信模块组态

新建项目工程，选择对应S7-1200 的CPU 为1215C DC/DC/DC，订货号为6ES7 215-1AG40-0XB0，系统版本V4.2。S7-1200 PLC 采用Modbus RTU 模式并且CPU 模块未集成对应通信电路，所以，要实现通信功能必须在系统中添加RS485 通信模块。打开系统的“设备视图”界面，从右边“硬件目录”中找到“通信模块”/“点到点”/“CM1241（RS485）（订货号为6ES7 241-1CH30-0XB0）”，双击或拖拽此模块至CPU 左侧101 插槽即可[5]，如图2所示。

图2 1200 PLCRS485通信模块硬件组态

选中CM1241 （RS485） 模块，在“属性”/“常规”/“RS-485 接口”/“IO-Link”中配置模块的硬件接口参数即Modbus RTU 通信参数，如图3 所示。设置传输率为19.2 Kb/s、无奇偶校验、8 位数据位、1 位停止位、超时等待时间1 ms，其他保持默认。

图3 1200 PLCModbus RTU通信参数设置

1.2 Modbus RTU通信指令应用

1.2.1 通信参数配置指令

通信参数的配置只需在系统启动时执行一次即可，所以，参数配置前先要在系统中添加启动OB。在左侧项目 树 下 选 择“PLC1 [CPU1215C DC/DC/DC]”/“程 序块”/双击“添加新块”，在弹出的窗口中选择“OB 组织块”/双击“Startup”，添加并启动OB 100。打开OB 100启动块，打开右边指令列表中的“通信”窗格文件夹，将“通信处理器”/“MODBUS”文件夹下的Modbus_Comm_Load 指令拖拽到程序编辑窗口，生成MB_COMM_LOAD_DB 默认背景数据块，并设置指令参数如图4所示。

图4 Modbus_Comm_Load指令设置

其中，REQ 输入端为上升沿时执行该指令；PORT端输入通信模块的硬件标识符，可通过双击＜???＞在提示框中进行选择；BAUD 端用于波特率设置，可选300～115200bit/s，须软硬件配置、收发端统一；PARITY 为奇偶校验位设置端，0、1、2 分别为不校验、奇校验、偶校验；MB_DB 端连接主站指令Modbus_Master 或从站指令Modbus_Slave 的背景数据块，该数据块在调用相应指令时自动生成，且连接后软件设置才生效。

1.2.2 Modbus RTU主站指令

Modbus_Master 指令用于Modbus RTU 主站与指定地址的从站进行通信（含发送和接收功能，具体由MODE端和DATA_ADDR 端联合决定），如图5 所示。该指令无中断功能，用户程序须采用查询方式掌握发送和接收的完成情况[6]。REQ 上升沿执行指令向Modbus RTU 从站发送数据；MB_ADDR 为从站地址，可设置0～247，其中地址0 用于消息广播，允许所有从站接收数据；MODE 端和DATA_ADDR 端共同确定Modbus_Master 指令对应的Modbus 功能代码，图中MODE=2、DATA_ADDR=40001对应Modbus 功能代码为16H，即向从站40001 地址开始写一个或多个字数据；DATA_LEN 用于设置通信长度，图中对应为10 个字长；DATA_PTR 为数据指针，即收发数据所在的首存储单元的地址，对应存储区在PLC的DB数据块中，先定义后使用，一般定义为数组形式，图中“BF_OUT”为用于发送的DB 数据块、“BF_OUT1”为WORD类型的数组名。

图5 Modbus_Master指令应用

Modbus_Slave 指令与Modbus_Master 类似，在此不做赘述。S7-1200 相关细节可参考用户手册等说明。绞线机排线系统中，1200 PLC 作为MODBUS 通信主站，只需通过上述操作便可将存储于“BF_OUT”数据块中的功能数据传送到无线系统的发送端。

2 无线数据收发系统设计

2.1 无线发送端硬件电路

无线数据发送端主控MCU 为STM32F103RCT，主要负责通过RS-485 接口与1200 进行Modbus 通信，并将接收到的数据通过NRF24L01 模块进行无线发送。NRF24L01 模块的核心为工作在2.4～2.5 GHz（世界通用ISM 频段）的单片无线收发一体芯片nRF24L01，芯片采用SPI 接口（接口速率最高可达8 Mb/s）与MCU 通信，其工作电压1.9～3.6 V，无线传输速率可设置1或2 Mb/s。

根据所需功能设计发送端硬件电路，主要包括电源电路、MCU 最小系统、RS-485 接口、NRF24L01 模块接口等电路。其中，MCU 最小系统及NRF24L01 无线模块接口如图6所示。

图6 MCU最小系统及NRF24L01无线模块接口电路

具有收发自动换向功能的RS-485 接口电路如图7 所示，其中RXD1、TXD1 分别连接MCU 的USART1 的RX、TX 端，R100 电阻保证了USART1 进行ISP 下载的顺利进行[7]。

图7 收发自动换向的RS-485接口电路

2.2 无线发送端软件

发送端MCU 控制程序分为系统初始化、串口中断处理和NRF24L01 无线发送等几个主要模块。系统初始化用于MCU 最小系统、内存变量、串口中断、外部中断、无线模块等的初始设置[8]；串口中断服务程序完成与S7-1200 PLC 的Modbus 通信；NRF24L01 的无线通信则为系统重点，因为是发送端，主要介绍NRF24L01 的无线发送模式。

NRF24L01采用增强型ShockBurst工作模式，同时为了增强程序的通用性和可移植性，使用MCU 通用IO 口模拟SPI 功能，即用MCU 的6 个引脚分别连接模块的CE、CSN、SCK、IRQ、MISO、MOSI 端口，其中与IRQ连接的STM32F103RCT 的引脚需设置为外部中断功能，这样当无线模块接收到有效数据、数据发送完成或者达到最多重发次数时就会通过IRQ 的低电平引发MCU 进入外部中断并根据状态寄存器进行相应处理。

无线发射程序包括各引脚操作、各寄存器访问以及相关指令的应用等，最底层的SPI 同步读写程序如下（其中的MISO、MOSI、SCK等为通用IO口的宏定义）：

设置并进行发射操作的程序代码包括以下部分：（1）控制进入待机模式；（2）写入发送地址；（3）写入接收通道0地址（与发送地址相同）；（4）写入将要发送的数据；（5）使能接收通道0 自动应答；（6）使能接收通道0；（7）设置自动重发次数；（8）设置射频通道频率；（9）设置数据传输率（1 Mbps 或2 Mbps）；（10）使能CRC 校验；（11）拉高CE 启动设备。通过以上步骤便能较为可靠的把接收的PLC端数据以无线方式发射出去。

2.3 无线数据接收端

无线接收端位于绞线机绞动盘内部，因为结构原因，机器主控PLC 的命令无法采用连线方式直接传给排线控制器，所以，此无线通信系统可以较完美的解决问题。无线接收端的硬件电路与发送端相同，程序代码则主要是无线模块收发模式及数据传输方向的区别，在此不做赘述。

3 排线步进电机控制系统设计

排线步进电机系统包括排线控制器、步进驱动器、步进马达3个部分[9]，在此主要讲解排线控制器。实际系统中，排线步进电机控制器与无线数据接收端集成在同一块PCB 电路板中，后者接收到源自主控PLC 的无线数据后，进行解析并将有关参数传给排线控制模块。排线控制器根据设置参数（实际为变化的比例系数）、绞线弓电机编码器传来的脉冲频率、所用步进马达步距角、细分数及传动机构的导程，计算并输出相应频率及数量的脉冲[10]，从而控制步进电机运动排线。

3.1 排线控制器硬件电路

排线控制器的MCU 最小系统与无线发送端电路类似，主要增加了接收绞线弓电机编码器脉冲的输入接口电路（如图8 所示）和向排线步进系统输出驱动信号的高速脉冲输出及方向接口电路（如图9所示）。

图8 高速脉冲输入接口

图9 高速脉冲输出接口

3.2 排线控制器软件

排线控制器就是要完成绞线机收线盘的排线工作，主要包括外部脉冲输入中断处理、输出脉冲相关计算、输出脉冲中断处理等功能程序。因为排线存在双向往复的过程，所以需要根据收线盘两端边沿信号控制电机停止及反向起动，于是在输出脉冲处理中需要根据条件进行加减速控制，保证排线准确、平整、不断线。

“S曲线”函数如下：

式中：a为幂底数；n为加减速中间速度点数；m=n/2。

排线换向过程的加减速控制采用“S 曲线”[11]，其离散化公式如式（1），并设计基于DEV-C++的幂底数和速度点数可调的“S 曲线”数据点生成器，生成相应中间速度点系数，以0.93 为底的50 个“S 曲线”数据点如下：0.912 4，0.905 8，0.898 7，0.891 1，0.882 9，0.874 1，0.864 6，0.854 4，0.843 4，0.831 6，0.819 0，0.805 4，0.790 7，0.774 9，0.758 0， 0.739 8，0.720 2，0.699 1，0.676 5，0.652 2，0.626 0，0.597 8，0.567 6，0.535 0，0.500 0， 0.465 0，0.432 4，0.402 2，0.374 0，0.347 8，0.323 5，0.300 9，0.279 8，0.260 2，0.242 0，0.225 1，0.209 3，0.194 6，0.181 0，0.168 4，0.156 6，0.145 6，0.135 4，0.125 9，0.117 1， 0.108 9，0.101 3，0.094 2，0.087 6，0.081 5。

在MCU 程序中通过“查表发”，在当前速度和目标速度之间插入上面50 个系数对应的中间点，对于每个速度点的运行时间采用等脉冲法即每个中间速度均运行相同的脉冲数，这样系统可控性、稳定性和准确性更高。加速与减速查表方向相反。MCU 中通过控制PWM 计时器定时周期实现输出脉冲频率即步进电机速度的控制，加速段程序结构如下。

4 实验和结果分析

绞线机的绞线质量由众多因素决定，其中排线系统的性能对其具有重要影响。绞线成品一般为成盘供货，截面大，因此对排线要求较高，尤其是底层排线需要特别整齐；同时在排线调头（排线步进电机换向）时，因为有一个短暂的停留，此时需注意上下层线缆间不能留有太大空隙，排距要适当，否则容易造成压线、松股，甚至排线混乱等现象。因为线缆特别长且成盘缠绕，在此仅以某型号绞线机为例，对传统机械排线和无线电气排线两种机型进行实验，分别在绞线股数为7股、12股、16 股时，测试其绞线2 000 m 左右出现松股、压线的次数（两个重要性能指标），如表1所示。由表可知，采用无线电气排线系统后，不但可以简化绞线机的机械结构，还可大幅提高绞线成品的质量，其松股、压线的出现几率大大降低，且系统工作稳定可靠。整体设计科学、有效、实用。

表1 每2 000 m出现压线、松股点数统计

5 结束语

本文针对绞线机机械排线系统的不足，设计了以S7-1200 PLC 为机器主控单元，以NRF24L01为无线收发模块，以STM32F103RCT 为排线控制器核心，以步进电机为执行机构的电气排线系统。同时，为保证排线质量不出现走位等情况，还在程序中采用了S 曲线进行加减速控制。整体系统不但简化了绞线机的机械结构还大大提高了绞线质量，技术成熟的同时具有创新性，已在广州某电工机械有限公司绞线机上实际使用，提高了生产效率、规避了频繁更换机械部件的步骤，具有很强的实用及推广价值。