基于無(wú)線(xiàn)通信的遠程稱(chēng)重監控系統設計

摘要：為了實(shí)現對遠端現場(chǎng)設備的自動(dòng)監控，將自動(dòng)稱(chēng)重控制技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)融合，給出了一種基于嵌入式平臺和無(wú)線(xiàn)通信模塊的設計方案。該方案采用C8051F060單片機和無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片CC1101為主要器件組成無(wú)線(xiàn)監控系統，該系統由信號采集模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、上位機監控管理等三部分組成。通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式對遠程稱(chēng)量設備進(jìn)行監測和控制，為無(wú)線(xiàn)遠程自動(dòng)稱(chēng)量和管理提供了新的途徑。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統；稱(chēng)重控制器；無(wú)線(xiàn)模塊；遠程稱(chēng)量

0 引言
在工業(yè)生產(chǎn)的計量領(lǐng)域中，電子稱(chēng)量系統是生產(chǎn)中十分重要的計量設備，傳統的電子稱(chēng)重控制系統大多采用固定的點(diǎn)到點(diǎn)有線(xiàn)通信，該類(lèi)設備一般使用RS 485總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，各種儀器儀表通過(guò)有線(xiàn)方式連接，這樣不僅現場(chǎng)施工麻煩，而且費用很高。隨著(zhù)計算機技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸的計算機控制系統使用越來(lái)越多。本文設計了一種無(wú)線(xiàn)港口稱(chēng)重遠程監控系統，將嵌入式技術(shù)、無(wú)線(xiàn)測控技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)有機結合起來(lái)。該系統稱(chēng)量精度高，實(shí)時(shí)性強，可靠性高、成本低廉，有著(zhù)廣泛的應用前景。

1 無(wú)線(xiàn)稱(chēng)重控制系統總體結構
無(wú)線(xiàn)稱(chēng)重控制系統主要由四部分組成，即電子料斗秤體、稱(chēng)重控制器、無(wú)線(xiàn)通信模塊和監控計算機組成。系統總體結構如圖1所示。

電子料斗秤體主要由儲料斗和裝有稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)量料斗兩部分組成。稱(chēng)重控制器由前置預處理電路、顯示電路和單片機通信電路等組成。無(wú)線(xiàn)通信模塊的功能主要是進(jìn)行數據的轉發(fā)，在稱(chēng)重控制器與中央監控室內的計算機之間建立無(wú)線(xiàn)通信連接。監控計算機通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊采集各臺稱(chēng)重控制器的數據并對稱(chēng)重控制器發(fā)送控制命令，同時(shí)對采集到的多點(diǎn)數據進(jìn)行集中管理，實(shí)現整個(gè)稱(chēng)重控制系統的自動(dòng)監控功能。

2 系統硬件
2．1 稱(chēng)重控制器結構
稱(chēng)重控制器主要由C8051F060單片機、數據采集電路、輸入輸出部分、鍵盤(pán)和顯示部分、通信電路五部分組成，如圖2所示。

C8051F060單片機資源豐富、功能完善、功耗低、體積小，是設計稱(chēng)重控制器的理想選擇。數據采集電路包括傳感器、前置放大和低通濾波電路組成，稱(chēng)重傳感器采集的重量信號經(jīng)過(guò)前置放大和濾波電路后，被送到單片機內部的16位逐次逼近型A／D轉換器轉換。鍵盤(pán)和顯示電路主要完成參數的輸入和數據的顯示。輸入輸出控制電路包括光電耦合器、放大電路、繼電器驅動(dòng)電路，實(shí)現對外圍設備的輸入輸出控制。通信電路是將單片機輸出的TTL電平信號經(jīng)過(guò)SP3232E芯片轉換成RS 232信號。
2．2 信號預處理電路
數據采集電路由稱(chēng)重傳感器、放大濾波電路及C8051F060內的16位A／D轉換器等組成。稱(chēng)重傳感器采用電阻應變式傳感器，實(shí)現將稱(chēng)重載荷信號轉換為微弱的電壓信號。放大濾波電路采用TI公司的OPA37和OP07組成的差分放大電路，如圖3所示。文中采用ADC0單端方式工作，參考電壓VREF為2．5 V，則其輸入電壓范圍為0～2．5 V。

2．3 鍵盤(pán)與顯示驅動(dòng)電路
用于顯示和按鍵接口電路的驅動(dòng)芯片采用BC7281B，它與C805lF060單片機之間采用2線(xiàn)高速串行接口通信。使用時(shí)需要在雙向數據傳輸線(xiàn)DAT上加20 kΩ左右的上拉電阻，串行接口的同步時(shí)鐘CLK由C8051F060的P2．1引腳控制。圖4為顯示和鍵盤(pán)驅動(dòng)電路。

本文采用BC7281B擴展20(5×4)個(gè)矩陣按鍵，‘行’線(xiàn)連接到BC7281的位驅動(dòng)DIG0～DIG4，‘列’線(xiàn)連接到第0～7位顯示的段驅動(dòng)移位寄存器的輸出，為了防止顯示電路對鍵盤(pán)電路的影響，鍵盤(pán)矩陣與顯示電路之間必須加入二極管和4．7 kΩ的隔離電阻。本電路采用了6位數碼管顯示，只需對應接入一片8位的移位寄存器與BC7281的位驅動(dòng)DIG0～DIG7，移位脈沖由74HC164進(jìn)行控制。
2．4 無(wú)線(xiàn)通信模塊接口電路
稱(chēng)重控制系統采用RF1100-232無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，該模塊內置TI公司最新的高性能CC1101無(wú)線(xiàn)通信芯片，433 MHz免費ISM頻段免許可證使用，低功耗工作，無(wú)障礙傳輸距離可達200 m以上，可應用于多種場(chǎng)合。

稱(chēng)重控制器與無(wú)線(xiàn)模塊之間的通信直接采用TTL電平，通過(guò)串口進(jìn)行數據的讀寫(xiě)，圖5為無(wú)線(xiàn)模塊與C8051F060單片機連接示意圖。監控計算機與無(wú)線(xiàn)通信模塊之間通信需要進(jìn)行電平轉換，在此采用了MAX232芯片進(jìn)行TTL電平與RS 232電平轉換，圖6為PC機與無(wú)線(xiàn)通信模塊連接示意圖。

3 系統軟件設計
3．1 系統數據傳輸過(guò)程
監控計算機每隔200ms通過(guò)串口進(jìn)行一次稱(chēng)重控制器數據采集。監控計算機通過(guò)串口將采集指令傳輸給無(wú)線(xiàn)通信模塊的單片機，然后無(wú)線(xiàn)通信模塊的單片機再將收到的指令通過(guò)SPI接口發(fā)送給CC1101，CC1101在發(fā)送模式下，將傳輸的有效載荷寫(xiě)入TX FIFO中，并在數據包中將添加可控數據的前導碼、同步詞匯和CRC奇偶校驗碼，然后將數據包發(fā)送出去；當稱(chēng)重控制器的無(wú)線(xiàn)模塊接收到有效的數據后，經(jīng)前導偵測、同步詞匯偵測、檢測CRC校驗碼對數據包進(jìn)行解析送出，無(wú)線(xiàn)模塊的單片機通過(guò)SPI接口從CC1101中讀出接收數據，然后再經(jīng)串行口送給稱(chēng)重控制器，接著(zhù)稱(chēng)重控制器根據接收到的數據執行采集數據和控制外圍設備工作。采集任務(wù)完成以后，稱(chēng)重控制器將采集到的數據參數再通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊送回到監控計算機，監控計算機根據接收到的數據信息進(jìn)行數據顯示、數據處理以及打印輸出等操作。
3．2 稱(chēng)重控制器稱(chēng)重控制程序
本文采用了二段加料法，即快加料和慢加料，通過(guò)快加料縮短加料時(shí)間，提高稱(chēng)量效率，用慢加料減小稱(chēng)量誤差，提高稱(chēng)量精度。設定系統中當前重量為M0，快加料目標量為M1，目標加料量為M2，慢加料停止的提前量為M3，慢加料目標量為M2-M3。加排料控制子程序如圖7所示。

3．3 無(wú)線(xiàn)通信模塊軟件設計
無(wú)線(xiàn)通信模塊主要由CC1101接收和發(fā)送程序組成，無(wú)線(xiàn)通信模塊的單片機通過(guò)SPI接口對CC1101進(jìn)行配置。當CSn為低電平時(shí)，SPI接口開(kāi)始工作，準備接受一條指令，CSn由高到低跳變時(shí)開(kāi)始轉換指令。無(wú)線(xiàn)通信流程如圖8所示。

4 系統功能的實(shí)現
本系統的無(wú)線(xiàn)模塊工作在頻段433 MHz，該頻段為免費ISM頻段免許可證使用(420～440 MHz)；在無(wú)障礙物可視的情況下可以達到230 m，在有電機干擾的車(chē)間環(huán)境下可傳輸80 m左右；中央計算機監控軟件采用MCGS組態(tài)軟件設計，實(shí)現重量數據實(shí)時(shí)采集和數據集中管理。文中采用了6臺稱(chēng)重控制器進(jìn)行散料稱(chēng)量控制，上位機監控界面如圖9所示。

該系統實(shí)現以下功能：
(1)數據的實(shí)時(shí)顯示：包括當前重量、上次排料重量、累計總重量。
(2)通信狀態(tài)顯示。
(3)操作指令：排料、加料。
(4)歷史數據：歷史數據查看、數據輸出打印。
(5)用戶(hù)管理：用戶(hù)身份驗證、用戶(hù)密碼修改。
(6)系統管理：窗口管理、退出系統。

5 結語(yǔ)
本文采用C8051F060單片機作為稱(chēng)重控制器的處理芯片，用CC1101 RF收發(fā)芯片組成無(wú)線(xiàn)收發(fā)通信模塊，上位機采用MCGS組態(tài)軟件，實(shí)現了港口散料的自動(dòng)稱(chēng)量與管理。該系統可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式對遠程稱(chēng)量設備的數據進(jìn)行采集和控制，為港口散狀物料(如谷物、煤粉)的自動(dòng)稱(chēng)量和管理提供了新的途徑。