| 基于射頻技術的無線稱重電動叉車的設計 | 2020-01-14 |
| 摘要：為了滿足倉庫超載檢測叉車以及吊秤等對無線稱重的要求，開發了一種基于射頻技術的無線數傳模塊。此模塊用來實現稱重模塊與稱重顯示器之間的無線數據傳輸,并利用該方法設計了一種無線稱重叉車。介紹了無線稱重電動叉車的原理和結構，并重點闡述了以CC1020射頻芯片和PIC單片機為核心的無線數傳模塊的硬軟件設計。實踐證明,該電動叉車具有稱重精確、成本低廉、運行穩定、可靠性高等優點。 關鍵詞：無線稱重電動叉車射頻CC1020芯片無線數據傳輸 引言 稱重平衡叉車一般由壓力稱重模塊和稱重顯示器組成,在冶金、倉儲、飼料加工以及倉庫超載檢測等眾多領域有著廣泛的應用。傳統稱重電動叉車的稱重模塊和稱重顯示器之間大多釆用RS-232、RS-485等有線連接的數據通信方式。隨著科技的發展，在某些特殊工作場合有線的連接方式已經不能滿足特定的要求:如倉庫汽車運輸超限檢測電動叉車和高速倉庫計重收費電動叉車中稱重模塊與稱重顯示器之間的線路鋪設成本較高且不便鋪設。對于吊桿防爆電子秤等某些運動構件上稱重模塊位置不固定的場合，通過電纜來傳輸數據變得不可靠甚至不可能。針對這些情況，本文給出了一種基于射頻技術無線傳輸數據的稱重電動叉車，有效地解決了上述問題。 1無線稱重電動叉車的原理與實現 1.1無線稱重電動叉車的原理 傳統稱重平衡叉車中壓力稱重模塊工作在稱重現場，稱重顯示器則放置在控制臺（室）。稱重模塊一般通過RS-232或RS-485串口與稱重顯示器進行數據傳輸。當稱重模塊與稱重顯示器之間鋪設電纜成本較高或者不便鋪設時，利用無線方式來傳輸數據則成為了一種很好的選擇。 無線數據傳輸方式可分為近距離與遠距離無線數傳兩種；對稱重電動叉車而言，稱重現場與控制臺（室）一般在可視距離內，采用近距離無線數傳方式即能滿足要求。而兩種主要的近距離無線數傳方式之一的紅外無線通信方式由于傳輸距離過短、傳輸時位置必須固定以及易受干擾等缺點也無法應用到稱重電動叉車上，因此工作在ISM（industrialscientificandmedical）頻段的射頻通信方式則成為了構建無線稱重電動叉車的。 射頻通信方式主要有藍牙（bluetooth）技術、HomeRF、IEE802.11標準、ZigBee技術等，其中藍牙、IEE802.11以及HomeRF成本較高，ZigBee傳輸距離較近,均不太適合本無線稱重電動叉車的數據傳輸。針對這些情況，本文采用了美國Chipcon公司的SmartRF短距離無線數傳解決方案，自行開發了一個低成本的無線數傳模塊，在此基礎上完成了無線稱重電動叉車的設計。 1.2無線稱重電動叉車的結構與功能 無線稱重機動叉車由數據采集終端、無線數傳模塊、稱重顯示器、打印機、上位機以及大屏幕稱重顯示器等組成,其結構如圖1所示。 當要稱重的物體經過稱重板時，稱重模塊（一般為壓力稱重模塊）將壓力信號轉換成模擬電信號，再經運放電路放大后傳送到A/D轉換器的模擬輸入端進行采樣，得到數字化的采樣值。采樣值經無線數傳模塊傳送至稱重顯示器,稱重顯示器將其處理后作為動態稱重信息顯示出來。同時可以將稱重信息存儲并打印，也可將相關信息通過串口發送到上位PC機⑴。 本電動叉車的組成與功能如下： ①數據采集終端。數據采集終端由稱重模塊、信號放大與偏置電路、A/D轉換電路、微稱重儀表等組成。它將壓力信號轉換成模擬電信號，經放大和A/D轉換得到數字化的采樣值，然后把采樣值數字濾波后通過RS-232傳送給無線數傳模塊。 ②無線數傳模塊。無線數傳模塊由無線收發芯片和微稱重儀表組成。它完成數據,采集終端與稱重顯示器之間的無線數據傳輸。 ③稱重顯示器。稱重顯示器包括微稱重儀表、數碼管顯示屏、鍵盤、EEPROM、實時鐘芯片等，可外接針式打印機、數碼管大屏幕、PC機等。它將數據采集終端無線傳輸過來的A/D采樣值經處理后顯示到數碼管顯示屏上，同時可存儲并打印稱重信息以及車號、貨號、日期、時間等信息。 2無線數傳模塊的硬件與軟件設計 無線稱重電動叉車的重點在無線數傳模塊的設計與實現，它是實現稱重電動叉車由有線到無線的關鍵所在。 2.1無線數傳模塊的硬件設計 機動叉車無線數傳模塊由無線收發芯片和微稱重儀表組成。本電動叉車中的無線數傳模塊采用CC1020為收發芯片，PIC16F73單片機為微稱重儀表。 CC1020是Chipcon公司推出的基于SmartRF技術的全集成無線收發芯片。它工作在402~470MHz、804~940MHz等ISM（industrialscientificandmedical）與SRD（shortrangedevice）頻段,采用頻移鍵控（FSK）調制，集成鎖相環（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、調制解調器（DE-M0D）等功能，具有低電壓、低功耗、高靈敏度、傳輸距離遠、尺寸小等優點，與很少的一些外圍器件搭配就可以設計成強大的具有無線通信功能的嵌入式電動叉車。 PIC16F73是Microchip公司開發推出的低功耗、高性能的8位單片機，采用雙總線結構（指令總線和數據總線分離）和精簡指令結構，具有8kb的Flash、192字節的片內RAM、串口和SPI接口，很好地滿足了本模塊對微稱重儀表的要求。 CC1020有32個引腳，它通過PDI、PDO、PCLK和PSEL這四個引腳與PIC16F73單片機的I/O端口相連,CC1020的應用原理如圖2所示。 在對無線數傳模塊進行印刷電路板（PCB）的設計時，需要注意以下幾個問題： ①雖然CC1020外圍器件少、集成度高,并集成了基帶處理,設計比較方便，但由于高頻電路的特性,加上CC1020的混和電路信號設計，因此PCB的設計直接關系到射頻性能。為了獲得較好的射頻性能,PCB設計至少需要兩層板來實現,PCB分成射頻電路和控制電路兩部分布線。 ②為了減少分布參數對性能的影響，在PCB中應該避免長的走線，所有元器件的地線、AV皿連接線、VDD去耦電容必須離CC1020盡可能的近。CC1020的電源必須經過很好的濾波，并且與數字電路的供電分離，在離電源腳AV皿盡可能近的地方用高性能的電容去耦,是一個小電容與大電容并聯。 ③PCB板的頂層與底層敷銅著地，把這兩層的敷銅用較多的過孔緊密相連。所有的開關信號與控制信號都不能經過RFJN和RF_0UT的電感附近⑵。 2.2無線數傳模塊的軟件實現 本無線數傳模塊的軟件釆用了專門為PIC單片機設計的C語言CC5X,該語言與ANSIC兼容,并針對PIC單片機進行了優化,能夠為PIC單片機產生優質高效的代碼。由于PIC16F73單片機要實現與用戶以及CC1020的通信和數據打包，因此該軟件借用了Windows電動叉車的消息循環機制設計，釆用消息循環的體系結構。這種結構使得程序清晰、可擴展性強、可移植性好。圖3為軟件的程序結構及主循環流程圖。 和變量初始化完成主循環程序査詢電動叉車消息。電動叉車消息一般是單片機外部或者內部事件通過單片機中斷電動叉車激勵單片機進行的。為了使電動叉車產生相應消息,必須啟動單片機的中斷電動叉車，因而在進入主循環前啟動單片機定時中斷、串行通信中斷、外部觸發中斷。程序初始化部分在單片機上電或復位后只執行一次，單片機在正常工作時始終都在主循環中反復檢測消息是否存在，并根據消息的不同種類而做出不同的操作，最后清除相應的消息標志，再進行循環檢測信息⑶。 在設計軟件時，需要注意各狀態轉換的時延。無線數傳模塊在發送數據前需要將電路置于發射狀態；接收模式轉換成發射模式的轉換時間至少為0.5ms；可以發送任意長度的數據;發射模式轉換成接收模式的轉換時間至少為3ms。 3無線稱重電動叉車的性能測試 3.1無線稱重電動叉車的稱重精確率 對一個稱重電動叉車來說，能夠精確的稱重是其最重要的功能。本電動叉車在設計時從硬件與軟件兩個方面來提高A/D釆樣的精確度。 在硬件上首先采用了CirrusLogic公司的24位A/D轉換芯片CS5532,能夠將輸入的模擬電壓精度地轉換成數字量。經測試發現其轉換后的采樣有效值可達到16位;其次在數據采集終端電路設計時做到了模擬地與數字地分開，增加了電動叉車的抗干擾性。軟件方面則采用了數字形態濾波，有效地濾去了干擾值。經測試本電動叉車的精確度為3.3%。，已經達到了三級表的要求。 3.2無線稱重電動叉車的通信可靠率 本電動叉車的通信可靠率主要是由無線數傳模塊的通信可靠率決定的。困擾無線通信的主要問題是無線通信易受干擾以及數據傳輸誤碼率較高。針對這些問題，本無線數傳模塊分別從以下幾個方面進行了改進：①在物理層,CC1020采用了差分曼徹斯特編碼的方式傳輸數據，從而保證了通信中的同步問題。②同時基于FSK的調試方式和采用高效前向糾錯信道編碼技術，大大提高了數據抗突發干擾和隨機干擾的能力;③在數據鏈路層,使用了CRC循環冗入編碼進行了數據幀校驗，用以保證數據到達用戶應用層后的可靠性;④在應用層,單片機軟件采取了對要發送的數據進行封裝和增加校驗碼等方式來提高通信的可靠率⑷。經測試，在傳輸速率為9600kbps、通信距離為800m（視距）、信道誤碼率為IO：無線數傳模塊的實際通信誤碼率為10"~IO'。 3.3無線稱重電動叉車的通信距離 電池叉車無線通信中,通信距離與發射端的發送功率以及接收端的接收靈敏度有著直接關系，同時也受到天線類型、收發天線的架設高度以及傳播路徑、地形地貌等因素的制約，會隨著使用環境而變化。本無線數傳模塊的發送功率為10mW,接收靈敏度為-110dBm。在通信速率為9600kbps、通信二進制誤碼率為10刁、天線高于地面3m的可視情況下，無線數傳模塊的可靠通信距離可達800m,較好地滿足了無線稱重電動叉車對無線數據傳輸距離的要求。如果對通信距離有更高要求時，可適當增加發射功率,以增加傳輸距離。 一種直流PWM控制電池叉車的設計，等在電路上隔離，同時提高電動叉車的可靠性。H型驅動電路通過DSP的PWM輸岀引腳PWM1~PWM4輸岀的控制信號進行控制。用霍爾電流稱重模塊檢測電流變化,并通過ADCIN00引腳輸入給DSP,經A/D轉換產生電流反饋信號⑷。速度信號由光電編碼器獲得，光盤編碼器檢測的電機轉速信號，經QEP引腳反饋給DSP,形成閉環，并與期望值比較產生偏差，經過相應算法處理的結果，送出調節量，控制電動機的速度，以滿足所給出的期望性能指標。 自動配料系統采用優化算法，提高了電動叉車的精度和實時處理速度; 電池叉車頻帶寬、快速響應性能好、動態抗干擾能力強;轉矩脈動小、穩速精度高、調速范圍大°"〕。具有良好的動、靜態響應,且對外界干擾具有良好的魯棒性。同時該蓄電池叉車功耗小、效率大，能避免模擬信號的畸變失真、便于自診斷、容錯等，因此基于TMS320-LF2407A控制的PWM直流伺服電動叉車具有高性能和低成本的特點⑺。 3結束語 對所設計的電動叉車進行測試,得到圖3所示的曲線。其中圖3a為電動叉車在參考輸入yr=12000r/min下的轉速動態輸出曲線;圖3b為蓄電池叉車在電源電壓波動情況下而產生擾動的動態調節曲線。由圖3a可見，電動叉車動態響應較快,上升時間小于0.3s,進入穩態也不足0.5s,且電動叉車只有略微超調。從圖3b可知，電動叉車對擾動的調節也較快，當電動叉車受到一定擾動時,能較快地調節到穩態曲線上來，具有很強的抗干擾性能。研究表明，TI公司C24x系列的TMS320LF2407ADSP是一種適合電機數字伺服控制的處理器,能夠勝任復雜的電機和電力電動叉車的控制任務，并能實現復雜的智能控制算法;運 4結束語 本文針對傳統有線稱重電動叉車的不足，提出了一個基于射頻技術的無線稱重電動叉車,并給了無線稱重電動叉車中關鍵的無線數傳模塊的硬件設計與軟件實現。實踐表明，本無線稱重電動叉車稱重精確、靈敏度高、工作穩定,用該芯片設計電動叉車,采用優化算法，并選擇精確的時鐘精度,能很好地提高伺服電動叉車的計算精度和運行速度,得到了較理想的實時動靜態響應。該電動叉車可廣泛應用于具有較高要求的場合，以及一些智能的儀器儀表中。 能可靠地應用在有線稱重智能叉車不能滿足要求的場合，有效地解決了有線稱重智能叉車連線繁多、移動性差的缺點,具有通信可靠、便于移動、成本低等優點;另外本無線數傳模塊具有很好的適應性,稍加改造也應用于其它需要近距離無線數據傳輸的場合。 | |
