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設計了基于nRF24L01無(wú)線(xiàn)數據傳輸芯片和Fusion StartKit開(kāi)發(fā)板的智能探測系統。通過(guò)開(kāi)啟nRF24L01的ACK PAYLOAD功能實(shí)現車(chē)載系統與上位機之間的雙向通信，采用Actel公司帶有APB3總線(xiàn)的8051S軟核在Fusion StartKit開(kāi)發(fā)板上構建片上系統，使用MFC編寫(xiě)Windows環(huán)境下的人機交互界面，實(shí)現了具有實(shí)時(shí)數據傳送、自動(dòng)避障、遠程操控等功能的智能探測系統。 目前一些惡劣或危險的環(huán)境人類(lèi)仍然無(wú)法置身其中進(jìn)行現場(chǎng)檢測，如出現險情的礦井地道、地形崎嶇的巖洞等，很難取得現場(chǎng)的參數。在這種情況下只有借助于智能探測裝置。因智能小車(chē)控制方便、行動(dòng)靈活，對比其他載體工具更容易勝任探測任務(wù)，因此成為各種探測儀器的首選工具。 本文設計的智能探測系統以小車(chē)為載體，將所測得的現場(chǎng)參數通過(guò)nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)時(shí)傳回上位機，具有快速靈活的特點(diǎn)；在實(shí)際工作時(shí)可左右轉向和后退，自動(dòng)躲避障礙物；同時(shí)該小車(chē)操控方便，可通過(guò)MFC搭建的人機交互界面利用鼠標和鍵盤(pán)對小車(chē)進(jìn)行遠程控制。 1、系統總體結構設計 該系統基于A(yíng)ctel FPGA實(shí)現，采用兩塊Fusi。nStartkit開(kāi)發(fā)板，一塊作為車(chē)載控制板，另一塊作為中轉板。車(chē)載控制板負責采集溫度、濕度、板載電壓、當前路況以及人體檢測等現場(chǎng)信息，驅動(dòng)小車(chē)運行，同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送現場(chǎng)信息以及接收上位機的控制命令。中轉板負責將接收到的無(wú)線(xiàn)信號通過(guò)串口轉發(fā)給PC機，同時(shí)將PC機由串口返回的控制指令利用無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送給車(chē)載控制板。PC機上采用MFC編寫(xiě)人機交互界面，顯示小車(chē)所在環(huán)境的相關(guān)信息，同時(shí)提供鼠標、鍵盤(pán)等完善的操控手段。系統結構如圖1所示。 圖1 系統結構框圖 2、系統硬件設計 2、1無(wú)線(xiàn)數據傳輸芯片nRF24L01 2.1.1芯片簡(jiǎn)介H nRF24L01是挪威NorDic公司的單片2．4 GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體芯片，有多達125個(gè)頻道可供選擇，支持1 Mb／s和2 Mb／s傳輸速率。該芯片采用SPI接口進(jìn)行數據讀寫(xiě)和參數配置，以寄存器映射方式對各個(gè)寄存器進(jìn)行管理，同時(shí)具有自動(dòng)重傳、動(dòng)態(tài)有效信息長(cháng)度（DPL）、應答信號攜帶有效信息（ACK PAYLOAD）等高級功能。 2.1.2功能 動(dòng)態(tài)有效信息長(cháng)度（DPL）指的是發(fā)送端的nRF24L01芯片通過(guò)寫(xiě)人有效數據區的數據長(cháng)度決定當前一幀數據的大小，而接收端則通過(guò)接收到的數據幀中的控制域信息而不是寄存器中定義的數據長(cháng)度提取有效數據。這個(gè)功能極大地提高了無(wú)線(xiàn)信道的使用率，同時(shí)減少了冗余數據的傳播，降低了數據在空中滯留的時(shí)間和數據被污染的概率。配合nRF24L0l的CRC校驗和自動(dòng)重傳功能，在有效地降低數據誤碼率的同時(shí)保證了數據傳輸的時(shí)效性。 應答信號攜帶有效信息（ACK PAYLOAD）指nRF24L01芯片在開(kāi)啟自動(dòng)重傳和DPL的基礎上實(shí)現的雙向通信功能。圖2為一對無(wú)線(xiàn)模塊之間的一次攜帶應答有效信息的數據傳輸過(guò)程。主發(fā)送模塊（PTX）發(fā)送完第1幀數據后，自動(dòng)置為接收模式，等待主接收模塊（PRX）發(fā)送應答信號或攜帶有效數據的應答信號。主接收模塊收到主發(fā)送模塊發(fā)送的第1個(gè)數據幀后，若此時(shí)有需要附加的有效數據，則在發(fā)送完ACK信號后繼續發(fā)送有效數據。而主發(fā)送模塊收到ACK信號后繼續接收有效信號，直到空中沒(méi)有殘留的無(wú)線(xiàn)信號再開(kāi)始發(fā)送第2幀信號。 使用ACK PAYLOAD可以實(shí)現車(chē)載系統和PC機的雙向通信，該功能很好地解決了手動(dòng)切換無(wú)線(xiàn)收發(fā)狀態(tài)導致雙方互相等待的問(wèn)題，同時(shí)只在需要對車(chē)載控制板進(jìn)行控制的時(shí)刻附帶應答有效信息，可以減少不必要的通信過(guò)程，大大提高了系統穩定性。 圖2攜帶ACK PAYLOAD的1次數據傳輸示意圖 2.1.3實(shí)現功能的配置方法 要實(shí)現nRF24L01的ACK PAYLOAD功能需要經(jīng)過(guò)以下步驟：首先進(jìn)行無(wú)線(xiàn)模塊的基本配置，包括發(fā)送接收模式的選擇（CONFIG）、開(kāi)啟自動(dòng)重傳功能（EN_AA）、接收地址使能（EN_ADDR）、設置重傳時(shí)問(wèn)不為零（SET－UP RETR）等；然后同時(shí)開(kāi)啟DPL和ACK PAYLOAD功能，要實(shí)現這兩個(gè)功能，必須在完成第一步之后用nRF24L01白帶的ACTIVATE命令加上0x73數據開(kāi)啟默認隱藏的兩個(gè)寄存器FEATURE和DYNPD。通過(guò)對這兩個(gè)寄存器的設置就可以實(shí)現數據的雙向通信。但要注意，接收端開(kāi)啟DPL后要使用R_RX PL WID命令讀取當前數據幀的有效數據長(cháng)度，同時(shí)使用W ACK PAY－LOAD命令將ACK PAYLOAD寫(xiě)入FIFO。 2.2 Core 80515架構 Core 8051S是Actel公司推出的基于A(yíng)PB3總線(xiàn)的8051lP核，兼容8051的全部指令，同時(shí)又具備許多51單片機所沒(méi)有的獨特功能： （1）具有可配置的JTAG接口調試功能，可利用Flash_Pro下載器作為其調試工具；優(yōu)化指令執行速度，內部設置流水線(xiàn)，可實(shí)現單個(gè)時(shí)鐘周期執行一條指令，且是普通51單片機的12倍。 （2）采用APB3外設總線(xiàn)結構和SER寄存器內存映射方式管理外設，將外部擴展的64 KB數據空間中的最高4 KB作為APB3外設的寄存器內存映射地址，每個(gè)APB3外設占據256 B的地址，因此最多可添加16個(gè)外設。 （3）使用CoreConsole軟件以圖形化界面的方式添加Core8051S以及其他外設，既直觀(guān)又方便。 圖3是以CoreConsole開(kāi)發(fā)的、基于Core805lS和APB3總線(xiàn)的50PC系統的典型架構。該軟件的開(kāi)發(fā)流程與Altera公司基于NIOS Ⅱ處理器的soPc開(kāi)發(fā)流程類(lèi)似，同時(shí)又具有其獨特優(yōu)勢：在系統不復雜、控制部分遠多于計算處理時(shí)，使用Core805⊥s可靈活迅速地進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)安裝ISA—Actel5 1為Keil提供調試驅動(dòng)可直接使用Keil編寫(xiě)代碼并進(jìn)行在線(xiàn)程序調試，而優(yōu)化后的指令執行速度可滿(mǎn)足大部分應用的要求。 圖3 CoreConsole下基于Core8051S的開(kāi)發(fā)實(shí)例 本系統設計步驟： （1）利用CoreConsole以圖形化方式設計片上系統所需的總線(xiàn)及外設，包括SPI、PWM、GP10、UART等模塊；配置各模塊與APB3總線(xiàn)之間的連接關(guān)系，正確分配外設地址；然后生成．Ⅴ文件導人Actel集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Libero。 （2）使用Libero的Flash Memory System Builder將Fu_S10n內部的Flash模塊配置為Core8051S的外部程序空問(wèn)。如果有必要還可以將Fusi。n StartKit開(kāi)發(fā)板上的SRAM作為Core8051S的外部數據空間使用。 （3）將工程編譯綜合后下載到開(kāi)發(fā)板上，通過(guò)Keil編寫(xiě)程序并進(jìn)行調試。 3、系統軟件設計 3．1車(chē)載控制系統軟件設計 車(chē)載系統是本系統的核心部分，它擔負著(zhù)現場(chǎng)環(huán)境探測，遠距離數據傳輸以及未知區域檢測等重要功能。因此該部分的設計對可靠性和穩定性要求較高。系統的軟件流程圖如圖4所示。 圖4車(chē)載控制系統流程圖 車(chē)載系統軟件包含兩部分功能：采集現場(chǎng)各種參數和實(shí)現各種運行模式。通過(guò)溫濕度傳感器和人體紅外傳感器采集溫濕度值以及現場(chǎng)環(huán)境是否有人信號；通過(guò)無(wú)線(xiàn)返；回參數決定當前小車(chē)的運行模式，包括自動(dòng)運行模式、半遙控模式和全遙控模式。自動(dòng)運行模式下小車(chē)會(huì )根據采集到的光電對管組信息分析當前的路況，從而作出相應運行路徑修正處理；半遙控模式下通過(guò)鼠標控制Windows界面的參數來(lái)控制小車(chē)的行動(dòng)；全遙控模式下通過(guò)操控鍵盤(pán)可直接操控小車(chē)運行。 車(chē)載系統自動(dòng)運行時(shí)，通過(guò)內部算法進(jìn)行路徑選擇和障礙規避。由于光電對管組信息相對較少，故采用查表映射法進(jìn)行舵機電機驅動(dòng)控制，即將光電對管組采集到的信息進(jìn)行分類(lèi)，根據不同的信息賦予小車(chē)不同的電機和舵機驅動(dòng)值，而光電對管組采集得到的信息為6 bit數據，也就是數值為0～63，將其作為數組的下標，在數組內容中根據下標所表征的類(lèi)型設置不同的經(jīng)驗值，通過(guò)大量的運行測試即可得到比較理想的參數。車(chē)載系統檢測到小障礙物時(shí)，查表得到舵機電機參數，轉過(guò)一定角度繞開(kāi)障礙物繼續運行；檢測到較大障礙物且無(wú)法繞過(guò)時(shí)，車(chē)載系統倒車(chē)回到安全區域繼續運行。 由于光電對管組存在干擾信號，在算法上進(jìn)行了如下濾波處理：利用記憶功能將前幾次的行進(jìn)路線(xiàn)保存，通過(guò)與當前輸出狀態(tài)的比對，判斷是否為干擾信息以決定是否摒棄當前控制量。 以上算法保證了車(chē)載系統在運行中出錯概率降到最低。 3．2人機交互界面設計 A機交互界面是采用微軟基礎類(lèi)（MFC）開(kāi)發(fā)的基于對活框架構的應用程序。采用CMSComm類(lèi)處理中轉板與PC之間的串口通信，同時(shí)通過(guò)截獲軟件系統的消息傳遞函數來(lái)實(shí)現對鍵盤(pán)值的判斷。 本文詳細介紹了nRF24L01無(wú)線(xiàn)芯片的DPL和ACKPAYLOAD等功能，實(shí)現了車(chē)載系統與上位機之間的雙向通信，使用Actel公司的CoreConsole工具構建SoPC片上系統，同時(shí)設計了PC機上人機交互界面，完善了系統的運行和控制，實(shí)現了具有實(shí)時(shí)數據傳送、自動(dòng)避障、遠程操控等功能的智能探測系統。 |
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