PCB電鍍電流的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監測系統設計

中心議題：

• PCB電鍍電流的無(wú)線(xiàn)傳感器絡(luò )監測系統設計

解決方案：

• NRF9E5單片機系統
• 無(wú)線(xiàn)通信單元設計
• 傳感器單元設計
• 指示燈報警電路設計
• 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的軟件設計

利用計算機、傳感器技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信，本文設計了用于PCB電鍍電流檢測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監測系統。該監控系統以NRF9E5單片機為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)核心，運用霍爾電流傳感器和檢測電路的設計，實(shí)現了無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)與計算機的無(wú)線(xiàn)通信。

PCB板的主要功能是使各種電子零組件形成預定電路的連接，其質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)機電產(chǎn)品的性能.PCB電鍍電流是影響PCB板質(zhì)量的重要因素之一，目前PBC電鍍電流的檢測是由操作人員拿著(zhù)手持的監測設備、間隔一定時(shí)間進(jìn)行檢測;因此存在不少缺點(diǎn)，如非實(shí)時(shí)檢測，容易漏檢和誤檢，長(cháng)期在電鍍環(huán)境里工作會(huì )損害人體健康等.鑒于人工檢測已不能適應當今制造技術(shù)發(fā)展的需要，本文提出PCB電鍍電流的無(wú)線(xiàn)傳輸方案，即在需要檢測電鍍電流的地方安放傳感器節點(diǎn)，并由監控中心對采集的電流數據進(jìn)行統一實(shí)時(shí)的監測和控制.

1 系統框架

基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的PCB電鍍電流監測系統架構如圖1所示，它可以分為3層：數據采集層、系統通信層和管理層.

數據采集層是整個(gè)系統的最底層，它由安放在工作環(huán)境中的傳感器節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)組成.通過(guò)內置的數據采集單元，傳感器節點(diǎn)可以采集流過(guò)PCB板的電流信號，進(jìn)行數據整理后，以無(wú)線(xiàn)通信的方式發(fā)送給匯聚節點(diǎn);匯聚節點(diǎn)將傳感器節點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數據進(jìn)行匯聚、分析和儲存，并等待計算機的命令，準備好與計算機之間的通信.

系統通信層是指匯聚節點(diǎn)與計算機之間的通信，采用RS232串口通信方式.通過(guò)設置P0_ALT.1=1，P0_DIR.1=l，選擇NRF9E5的P01與P02引腳的第二功能作為串口的RXD與TXD，通過(guò)芯片MAX232進(jìn)行電平轉換與計算機的串口連接來(lái)處理從各節點(diǎn)采集回來(lái)的數據，并通過(guò)主模塊發(fā)送控制指令和有效數據完成對各個(gè)節點(diǎn)的設置，實(shí)現對現場(chǎng)設備的控制.管理層是計算機對采集上來(lái)的電鍍電流數據進(jìn)行分析處理的過(guò)程.計算機能根據管理者的需要采集安裝霍爾傳感器節點(diǎn)的電流數據，并完成數據處理、圖表顯示、控制和儲存等多種管理功能;當流過(guò)PCB板的電流超過(guò)或低于給定值范圍，系統給出聲光報警.

2 系統硬件及設計

無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)是整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的基本組成單元，它的主要任務(wù)是采集PCB電鍍電流數據，對數據進(jìn)行前期處理，并對來(lái)自上位機的命令做出回應，進(jìn)而向上位機發(fā)送采集到的電流數據.無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)由NRF9E5單片機系統、無(wú)線(xiàn)通信單元、傳感器單元和指示燈報警電路等組成。

2.1 NRF9E5單片機系統
NRF9E5無(wú)線(xiàn)單片機是NordicVLSI公司于2004年推出的無(wú)線(xiàn)單片機芯片，它是真正的系統級芯片，內置的433MHz、868MHz、915MHz收發(fā)器與NRF905芯片的收發(fā)器一樣.內嵌的微8051控制器，帶有4輸入10位80kS/s的A/D轉換器，工作電壓較寬(1.9～3.6V)，可以工作于ShockBurst方式，即自動(dòng)處理前綴、地址和CRC方式;CPU還擴展了2個(gè)數據指針以方便從片外RAM讀取數據.NRF9E5的微處理器中有256bit的數據RAM和512bit的ROM.上電復位或軟件復位后，處理器自動(dòng)執行ROM引導區中的代碼.用戶(hù)程序通常是在引導區的引導下，從EEROM加載到1個(gè)4kbit的RAM中，這個(gè)4kbit的RAM也可用作存儲數據.整個(gè)單片機系統的建立需要極少的外圍元器件，節約資源，對實(shí)現低功耗十分有利.

2.2 無(wú)線(xiàn)通信單元
由于NRF9E5無(wú)線(xiàn)單片機內置了NRF905的433MHz、868MHz、915MHz收發(fā)器，從而使整個(gè)系統的設計更加簡(jiǎn)潔可靠.通過(guò)軟件編程，收發(fā)器可自動(dòng)完成發(fā)送、接收和監聽(tīng)等功能，從系統設計角度講，只需對數據包中的數據進(jìn)行軟件解釋和控制即可.

2.3 傳感器單元
傳感器單元主要負責電流信息的采集，它是保證整個(gè)系統性能的基礎.首先需要將電流信號轉換為電壓信號，這里用TBC-LTA系列霍爾電流傳感器，其工作電源電壓±(12～15)V，工作溫度-40～85℃.為了提高測量精度，結合實(shí)際被測電流大小值，本文選取TBC-LTA系列直流電流傳感器中的TDC503LTA傳感器.

NRF9E5內含一個(gè)10位線(xiàn)性AD轉換器，其轉換速率為80kS/s，AD轉換器參考電壓可以通過(guò)軟件選擇Aref輸入或內部帶隙參考電壓1.22V.AD轉換器有5個(gè)輸入可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇，其典型應用是啟動(dòng)/停止模式，采樣時(shí)間由軟件控制.默認狀態(tài)下它是10位的，如有需要可以通過(guò)軟件設置為6位、8位或12位.同時(shí)，AD轉換器也可以在差分模式下應用，當AIN0作為負輸入端時(shí)，AIN1～3作為正輸入端.

2.4 指示燈報警電路
當流過(guò)電路板電流低于下限值或高于上限值時(shí)，指示燈報警電路將產(chǎn)生聲光報警，以便管理人員立即采取應對措施.在本設計中，利用紅色LED 燈和揚聲器作為指示燈報警電路.

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計
在現代無(wú)線(xiàn)通信中，數據都是以數據包的方式來(lái)進(jìn)行傳輸的.對NRF9E5這樣的無(wú)線(xiàn)片上系統，每次發(fā)送和接收數據也是以數據包的方式進(jìn)行的.數據包格式是通信協(xié)議的重要部分，NRF9E5的無(wú)線(xiàn)數據包格式有：Preamble、ADDR、PAYLOAD、CRC.其中，Preamble是前導碼，由硬件自動(dòng)加上去;ADDR則發(fā)送32～40位地址碼;PAYLOAD是有效數據(最大為32bit);CRC是循環(huán)冗余碼校驗和，可以由內置CRC糾檢錯硬件電路自動(dòng)加上，可設為0位、8位或16位.傳感器節點(diǎn)最重要的工作就是將采集到的數據發(fā)送出去.要實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送，必須使處理器中的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器工作在發(fā)送模式下.NRF9E5的收發(fā)器(NRF905)共有3種工作模式：ShockBurst接收(RX)方式、Shock Burst發(fā)送(TX)方式和節能方式，其發(fā)送數據流程如圖3所示.

3.2 上位機軟件設計
上位機軟件設計利用VisualC++進(jìn)行編程，設計了電流實(shí)時(shí)顯示面板和用于數據儲存的數據庫.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )布置完成后，眾多傳感器節點(diǎn)的數據上傳到計算機，計算機程序即上位機程序將這些數據存儲起來(lái)，為以后的數據查詢(xún)和處理提供方便.VisualC++為用戶(hù)提供了ODBC、DAO和OLEDB等3種數據庫訪(fǎng)問(wèn)方式.ODBC提供了應用程序接口(API)，任何一個(gè)數據庫都可以通過(guò)這些API達到管理數據庫的目的.使用MFCAppWizard提供的ODBC數據庫的一般過(guò)程是：
1)用數據庫工具例如Access建立一個(gè)數據庫;
2)在Windows中為1)建立的數據庫定義一個(gè)ODBC數據源;
3)在創(chuàng )建數據庫處理的文檔應用程序向導中選擇上面定義的數據源;
4)設計界面，并使控件與數據表字段關(guān)聯(lián).

本設計中，首先建立了一個(gè)數據庫，并根據傳感器節點(diǎn)數目建立了若干個(gè)數據表，然后利用MFC提供的ODBC類(lèi)：記錄集類(lèi)、數據庫類(lèi)和可視記錄集類(lèi)進(jìn)行編程，把各個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)上傳的數據按照它們的節點(diǎn)號存儲在各個(gè)數據表中.

4 結語(yǔ)

本系統的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)以低功耗的NRF9E5單片機為核心，利用TBC-LTA系列霍爾電流傳感器，并且融合計算機技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，對PCB電鍍電流進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集和A/D轉換，并對采集到的電流數據進(jìn)行分析和存儲，為監控PCB電鍍電流的生產(chǎn)提供了良好的操作環(huán)境，改善了PCB板的質(zhì)量，提高了產(chǎn)品的競爭力.本系統具有低成本、低功耗、較高的檢測精度、操作簡(jiǎn)單和人性化等特點(diǎn)，能夠很好地解決PCB電鍍電流監測的問(wèn)題，具有良好的應用和發(fā)展前景.