基于FPGA和nRF905的挖掘機無(wú)線(xiàn)監控數據傳輸系統

摘要：使用SOPC技術(shù)設計了一種基于FPGA和nRF905的挖掘機無(wú)線(xiàn)監控數據傳輸系統，用于對挖掘機進(jìn)行遠程狀態(tài)監測、實(shí)時(shí)挖掘動(dòng)作控制和行走操作控制等。該無(wú)線(xiàn)監控數據傳輸系統工作在433MHz的ISM頻段，能夠進(jìn)行雙向傳輸。
關(guān)鍵詞：FPGA；SOPC；nRF905；無(wú)線(xiàn)通信

液壓挖掘機在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利電力工程、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著(zhù)極為重要的作剛。對于某些不適合人類(lèi)進(jìn)入的工作場(chǎng)所，如高溫、含有輻射物或裝卸危險物品的場(chǎng)所下的挖掘任務(wù)，以人手動(dòng)操作為主的傳統液壓挖掘機已不能勝任，液壓挖掘機的遠程監控、自動(dòng)化和智能化成為該類(lèi)場(chǎng)所挖掘難題的最好解決方案。在液壓挖掘機的無(wú)線(xiàn)遠程監控系統設計中，各種傳感器數據和控制數據的無(wú)線(xiàn)傳輸系統的設計對于遠程監控功能的實(shí)現具有關(guān)鍵作用。

1 系統設計方案
液壓挖掘機的無(wú)線(xiàn)監控數據傳輸系統采用上下位機雙層控制結構，上下位機之間采用了點(diǎn)對點(diǎn)通訊模式。上位機采用PC機，主要完成遠程監控、數據存儲處理和運動(dòng)軌跡規劃運算等工作。下位機安裝于挖掘機上，采用Inter Control公司的機載電腦。MTC通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸各傳感器數據和油缸電磁閥開(kāi)口大小信號，進(jìn)行挖掘機狀態(tài)數據的采集和電磁閥等執行機構的驅動(dòng)等。各傳感器、油缸電磁閥和機載電腦之間通過(guò)CAN總線(xiàn)通信。編程工具是工控領(lǐng)域常用的CoDeSvs。采用通訊頻段為433MHz、通訊最大距離為500m的無(wú)線(xiàn)數傳輸模塊nRF905進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸。nRF905有4種工作模式：掉電模式、待機模式、發(fā)射模式、接收模式。無(wú)線(xiàn)監控數據傳輸系統采用FPGA作為通信控制模塊，使用SOPC技術(shù)搭建片上硬件系統。通信控制程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)。FPGA通過(guò)GPIO口控制nRF905的三組引腳：TX_EN、TRX_CE和PWR來(lái)設置nRF905不同的工作模式；載波儉測輸出CD、地址匹配輸出AM和數據就緒輸出DR用于通知FPGAnRF905的收發(fā)狀態(tài)；SPI接口用于配置、發(fā)送和接收數據。系統硬件結構框圖如圖1所示。

2 SOPC片上系統設計
該單元主要功能是通過(guò)建立通信協(xié)議和對無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊的控制，準確實(shí)時(shí)地接收、存儲來(lái)自各個(gè)節點(diǎn)的數據，并傳送給上位機和MTC。
2．1 SOPC片上系統硬件構成
加入的SOPC組件和模塊主要有：NiosⅡ處理器，Avalon三態(tài)總線(xiàn)橋；外部SDRAM存儲器的控制器核；Flash類(lèi)型的存儲器，用于存放程序和數據；時(shí)間計數器核Interval timer；SPI核，用于實(shí)現SPI協(xié)議并提供Avalon接口；PIO接口用于連接nRF905的SPT接口和發(fā)出控制信號，其管腳連接至FPGA的GPIO口。將所組成的系統進(jìn)行編譯后，可以下載到FPGA芯片上構成片上控制系統。系統框圖如圖2所示。