基于FPGA和nRF905的挖掘機(jī)無線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

摘要：使用SOPC技術(shù)設(shè)計了一種基于FPGA和nRF905的挖掘機(jī)無線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，用于對挖掘機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時挖掘動作控制和行走操作控制等。該無線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作在433MHz的ISM頻段，能夠進(jìn)行雙向傳輸。
關(guān)鍵詞：FPGA；SOPC；nRF905；無線通信

液壓挖掘機(jī)在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸、水利電力工程、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著極為重要的作剛。對于某些不適合人類進(jìn)入的工作場所，如高溫、含有輻射物或裝卸危險物品的場所下的挖掘任務(wù)，以人手動操作為主的傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)已不能勝任，液壓挖掘機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動化和智能化成為該類場所挖掘難題的最好解決方案。在液壓挖掘機(jī)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，各種傳感器數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計對于遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)具有關(guān)鍵作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
液壓挖掘機(jī)的無線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用上下位機(jī)雙層控制結(jié)構(gòu)，上下位機(jī)之間采用了點(diǎn)對點(diǎn)通訊模式。上位機(jī)采用PC機(jī)，主要完成遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲處理和運(yùn)動軌跡規(guī)劃運(yùn)算等工作。下位機(jī)安裝于挖掘機(jī)上，采用Inter Control公司的機(jī)載電腦。MTC通過CAN總線傳輸各傳感器數(shù)據(jù)和油缸電磁閥開口大小信號，進(jìn)行挖掘機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動等。各傳感器、油缸電磁閥和機(jī)載電腦之間通過CAN總線通信。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的無線數(shù)傳輸模塊nRF905進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。nRF905有4種工作模式：掉電模式、待機(jī)模式、發(fā)射模式、接收模式。無線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)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(tǒng)。通信控制程序使用C語言編寫。FPGA通過GPIO口控制nRF905的三組引腳：TX_EN、TRX_CE和PWR來設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 SOPC片上系統(tǒng)設(shè)計
該單元主要功能是通過建立通信協(xié)議和對無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的控制，準(zhǔn)確實(shí)時地接收、存儲來自各個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并傳送給上位機(jī)和MTC。
2．1 SOPC片上系統(tǒng)硬件構(gòu)成
加入的SOPC組件和模塊主要有：NiosⅡ處理器，Avalon三態(tài)總線橋；外部SDRAM存儲器的控制器核；Flash類型的存儲器，用于存放程序和數(shù)據(jù)；時間計數(shù)器核Interval timer；SPI核，用于實(shí)現(xiàn)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(tǒng)進(jìn)行編譯后，可以下載到FPGA芯片上構(gòu)成片上控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。