基于nRF24L01的鋼絲繩無(wú)損檢測系統

　　本文提出了一種基于nRF24L01的無(wú)線(xiàn)傳輸方式下的鋼絲繩無(wú)損檢測方法，利用該系統對在線(xiàn)鋼絲繩進(jìn)行無(wú)損檢測，檢測結果采用nRF24L01進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，克服了有線(xiàn)傳輸的應用弊端，解決了鋼絲繩惡劣的工作環(huán)境和其無(wú)損檢測有線(xiàn)傳輸方式的矛盾，提高了檢測精度。

　　1 鋼絲繩無(wú)損檢測系統硬件設計

　　1.1 系統總體結構圖

　　鋼絲繩無(wú)損檢測系統由數據采集端和接收處理端組成。數據采集端系統框圖如圖1所示，主要分為：傳感器模塊，A/D采集模塊，LM3S1 138處理器模塊，RF24L01無(wú)線(xiàn)模塊。其中傳感器部分采用華中科技大學(xué)機械學(xué)院無(wú)損檢測實(shí)驗室具有自主知識產(chǎn)權的無(wú)損檢測傳感器，該傳感器由2個(gè)霍爾元件和1個(gè)旋轉編碼器組成，輸出4路模擬信號，1路脈沖信號。經(jīng)過(guò)信號處理模塊將4路模擬信號分離出4路交流信號和4路直流信號，分別代表鋼絲繩的損壞情況和粗細。在脈沖信號的上升沿到來(lái)時(shí)對8路模擬信號進(jìn)行采集，并將A/D轉化得到的結果進(jìn)行數據封裝，最后利用SPI接口寫(xiě)入RF24L01模塊實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸。

　　接收處理端系統框圖如圖2所示，主要分為：RF24L01無(wú)線(xiàn)模塊，LM3S1138處理器模塊，PC機終端。PC機終端向LM3S1138處理器模塊發(fā)送開(kāi)始接收的命令，在LM3S1138處理器模塊收到PC機終端的命令后，啟動(dòng)RF24L01無(wú)線(xiàn)模塊，接收數據采集端發(fā)送的數據。在接收到數據后，LM 3S1138處理器模塊對數據進(jìn)行解析，并通過(guò)串口或USB將數據傳送到PC機，PC機終端收到數據后，對數據進(jìn)行處理、存儲、顯示等一系列操作。

　　1.2 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊設計

　　nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片。無(wú)線(xiàn)收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型SehockBurst TM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設置。極低的電流消耗：當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)電流消耗為9 mA，接收模式時(shí)為12.3 mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。無(wú)線(xiàn)傳輸速率可以達到2 Mb/s，傳輸距離可達50 m以上，加上功率放大模塊后，傳輸距離可以達到300 m以上，能夠滿(mǎn)足對實(shí)時(shí)性要求較高的近距離無(wú)線(xiàn)數據傳輸場(chǎng)合。

　　圖3是基于nRF24L01芯片的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊電路。圖中偏置電阻R2用來(lái)設置一個(gè)精確的偏置電流;C3，C4，L1和L2形成一個(gè)平衡轉換器，用以將nRF24L01上的差分RF端口轉換成單端RF信號;MOSI，MISO，SCK和CSN構成SPI接口，用來(lái)對nRF24L01內部寄存器的配置和數據的讀寫(xiě);CE信號用來(lái)控制nRF24L01的工作模式，IRQ用來(lái)指示nRF24L01的工作狀態(tài)。為了使芯片能夠穩定工作，必須在芯片電源輸入端加上小的濾波電容，以得到高質(zhì)量的電源供電，從而使通信效果達到最佳。

　　1.3 LM3S1138處理器與nRF24L01接口設計

　　nRF24L01通過(guò)4線(xiàn)SPI兼容接口(MOSI，MISO，SCK和CSN)配置，這個(gè)接口同時(shí)用作寫(xiě)和讀緩存數據。本系統利用LM3S1138處理器的4個(gè)I/O口就可以對SPI接口進(jìn)行模擬。SPI接口是一種同步串行通信接口，CSN是芯片選擇管腳，當該管腳為低電平時(shí)，SPI接口可以通信，反之不能通信。MOSI和MISO為數字傳輸管腳，MOSI用于數據輸入，MISO用于數據輸出。SCK為同步時(shí)鐘，在時(shí)鐘的上升沿或下降沿數字數據被寫(xiě)入或讀出。具體SPI模擬接口的讀寫(xiě)代碼如下：

　　其中：RF24L01_MOSI_1代表SPI的MOSI輸出高電平，RF24L01_MOSI_O代表SPI的MOSI輸出低電平，RF24L01_MISO表示SPI的MISO的輸出電平值，RF24L01_SCK_1，RF24L01_SCK_0分別代表SPI時(shí)鐘輸出高電平和低電平。

　　2 系統軟件設計

　　通過(guò)軟件的優(yōu)化設計，能夠將整個(gè)硬件系統有機聯(lián)系起來(lái)。在近距離范圍內不需要復雜的防干擾算法，只要對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的封裝就可以。

　　2.1 數據采集端軟件設計

　　數據采集端負責數據的采集和無(wú)線(xiàn)轉發(fā)，軟件設計部分主要包括：LM3S1138的系統和接口配置，nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的初始化，A/D轉換，數據的無(wú)線(xiàn)轉發(fā)，具體流程圖如4所示。

　　2.2 數據接收處理端軟件設計

　　數據接收端的任務(wù)是按照PC終端的指令執行數據接收和上傳的工作，軟件設計部分主要包括：LM3S1138系統和接口配置，nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的初始化，PC終端命令解析，數據上傳，具體流程圖如圖5所示。

　　3 結論

　　本文所設計的系統能夠和有線(xiàn)系統一樣實(shí)現無(wú)漏點(diǎn)的無(wú)損檢測，同時(shí)該系統具有安裝簡(jiǎn)單，可靠性強，能夠應用于各種惡劣工作環(huán)境下的鋼絲繩無(wú)損檢測，便于以后進(jìn)行多點(diǎn)系統集成和統一管理的特點(diǎn)，而且大大降低無(wú)損檢測系統的成本和縮短施工周期。本文也為鋼絲繩無(wú)損檢測系統提出了一種新的傳輸方式，具有廣闊的應用前景。