基于TMS320LF2407A和NRF903的工程機(jī)械遙控器高可靠性設(shè)計(jì)

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過(guò)程中，工程機(jī)械起到了巨大的推動(dòng)作用。但傳統(tǒng)的工程機(jī)械工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件一般都很惡劣，而工作人員又必須在龐大的駕駛室里操作，容易對(duì)工作人員心理和生理造成不良影響，從而影響機(jī)械的安全可靠高效運(yùn)行。近年來(lái)，無(wú)線電通信技術(shù)及超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，為工作人員走出駕駛室通過(guò)無(wú)線電對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行可靠的遠(yuǎn)程控制提供了基礎(chǔ)。由于工程機(jī)械的動(dòng)作失誤會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失，因此可靠性是無(wú)線遙控技術(shù)能否應(yīng)用于工程機(jī)械的決定因素。
1 工程機(jī)械遙控器系統(tǒng)介紹
遙控器由發(fā)射端和接收端兩部分組成。操作人員利用發(fā)射端將控制命令發(fā)射出去，控制命令通過(guò)無(wú)線信道到達(dá)接收端，接收端接收控制命令并控制工程機(jī)械作出相應(yīng)的動(dòng)作[1]。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

TMS320LF2407A芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制芯片。NRF903為系統(tǒng)的射頻收發(fā)芯片。由于篇幅限制，本文重點(diǎn)從TMS320LF2407A與NRF903的接口設(shè)計(jì)及通信協(xié)議設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，對(duì)工程機(jī)械遙控器進(jìn)行高可靠性設(shè)計(jì)。
2 硬件接口設(shè)計(jì)
TMS320LF2407A采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3 V，減小了控制器的功耗，滿足了手持發(fā)射端的省電要求[2]。TMS320LF2407A具有良好的處理性能(40 MIPS)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制命令的快速編解碼處理，提高遙控器對(duì)控制命令的實(shí)時(shí)處理和響應(yīng)速度。TMS320LF2407A集成了豐富的外設(shè)接口，如串口通信接口(SCI)，串口外設(shè)接口(SPI)，利用這兩種外設(shè)接口可以方便地與NRF903連接。TMS320LF2407A與NRF903的接口如圖2所示。

NRF903是一個(gè)單片RF收發(fā)芯片，工作在433/868/915 MHz國(guó)際通用的ISM頻段，具有GMSK/GFSK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)控制應(yīng)用[3]。采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，具有170個(gè)頻道，滿足本文所采用的頻道轉(zhuǎn)換的需要；可直接與TMS320LF2407A接口，而無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，通信波特率可達(dá)76.8 kb/s；工作電壓范圍是2.7 V～3.6 V，功耗低，構(gòu)成一個(gè)完整的射頻收發(fā)器所需的外圍器件少。
3 SPI接口設(shè)計(jì)
3.1 配置字設(shè)計(jì)
TMS320LF2407A的同步串口SPI用于完成對(duì)NRF903的組態(tài)控制字的配置，設(shè)置SPI工作于主動(dòng)方式(MASTER/SLAVE=1)，SPICLK輸出同步時(shí)鐘信號(hào)到CFG_CLK。設(shè)置串行外設(shè)接口配置控制寄存器SPICCR=0x0D，當(dāng)CS為高電平時(shí)，來(lái)自SPISIMO/IOPC2的14位組態(tài)控制字在每一個(gè)CFG_CLK編程模式時(shí)鐘的上升沿，通過(guò)CFG_DATA端口被寫入組態(tài)寄存器中，完成對(duì)工作頻率、通道、輸出功率和輸出時(shí)鐘頻率等參數(shù)的設(shè)置。
當(dāng)組態(tài)控制字輸入到數(shù)據(jù)移位寄存器時(shí)，CS無(wú)效，一個(gè)新的配置完成。CFG_DATA的比特率由SPI模塊的波特率設(shè)置寄存器SPIBRR確定。
一旦配置完成，芯片的工作狀態(tài)由外部信號(hào)TXEN、PWR_DWN、STBY和DATA設(shè)置。除待機(jī)模式和低功耗模式外，配置可以在所有模式下完成，這為頻道的快速實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換提供了基礎(chǔ)[4]。
3.2 收發(fā)雙方的頻道轉(zhuǎn)換協(xié)議設(shè)計(jì)
本文采用通信頻道在三個(gè)固定頻道間轉(zhuǎn)換，以避免使用某一固定頻率時(shí)產(chǎn)生同頻干擾問(wèn)題。
本設(shè)計(jì)選用438頻段，該頻段有10個(gè)頻道可供使用，選用其中3個(gè)頻道(頻道0，4，8)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。由CFG_DATA[9～2]設(shè)定。
為了避免收發(fā)雙方的頻道發(fā)生混亂，本設(shè)計(jì)令收發(fā)雙方開(kāi)機(jī)啟動(dòng)、待機(jī)時(shí)或復(fù)位后都進(jìn)入頻道0。
收發(fā)雙方都采用靈活的頻道轉(zhuǎn)換和頻道停留方式通信。每次發(fā)射方在某一頻道發(fā)射控制命令后會(huì)在此頻道等待應(yīng)答信號(hào)。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到正確的應(yīng)答信號(hào)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)換到下一頻道重復(fù)上面的發(fā)射過(guò)程；若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到正確的應(yīng)答信號(hào)，則自動(dòng)停留在此頻道一段較長(zhǎng)的時(shí)間，等待發(fā)射其他控制命令。每次正確應(yīng)答信號(hào)的接收都延遲發(fā)射方在此頻道的停留時(shí)間，如果超時(shí)沒(méi)有正確應(yīng)答信號(hào)的接收，則返回頻道0。接收方的頻道停留方式與發(fā)射方相似，即每次正確命令的接收都會(huì)延遲其在此頻道的接收時(shí)間。但其頻道轉(zhuǎn)換方式不同，它的頻道轉(zhuǎn)換間隔時(shí)間是發(fā)射方頻道轉(zhuǎn)換間隔時(shí)間的3倍，以保證收發(fā)雙方至多在9個(gè)間隔時(shí)間內(nèi)頻道同步一次。收發(fā)雙方頻道轉(zhuǎn)換如圖3所示。發(fā)射端頻道轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。

若雙方多次啟動(dòng)SPI傳送配置字去改變通信頻道而沒(méi)有成功，則發(fā)生超次中斷，要求收發(fā)雙方系統(tǒng)復(fù)位重啟到初始頻道0狀態(tài)，繼續(xù)通信。若系統(tǒng)復(fù)位后仍無(wú)法正常連接，則可能三個(gè)頻道都已受到干擾，可以人為地為收發(fā)雙方重新配置一個(gè)初始頻道，使收發(fā)雙方進(jìn)入另外一組頻道通信。
4 SCI模塊通信設(shè)計(jì)
4.1 控制命令編碼設(shè)計(jì)
由于無(wú)線信道干擾因素的存在，接收到的控制指令很可能變得不可靠，如果此控制指令恰好變成另外一組控制指令，則必然會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。為了避免這種情況發(fā)生，就必須增大不同控制命令碼之間的差異。它們之間的差異越大，從一個(gè)控制指令碼變成另一個(gè)控制指令碼的可能性就越小，即發(fā)生誤動(dòng)作的可能性就越小。本文用8 bit表示一組控制命令，最多可以得到28=256組不同的控制命令，用軟件編程方法可以挑選出各不同控制命令碼之間差異為4 bit的碼組最多16組，可以表示16種不同的控制命令，滿足工程機(jī)械所需的控制命令數(shù)目要求。
盡管這樣可以避免工程機(jī)械發(fā)生誤動(dòng)作，但還是無(wú)法抵制信道噪聲給控制命令碼帶來(lái)的干擾，若是每次發(fā)生干擾都要求發(fā)射端重發(fā)，則會(huì)使得系統(tǒng)的通信效率變低。如果發(fā)射方發(fā)射具有糾錯(cuò)能力的控制命令編碼，而接收方根據(jù)收到的控制命令碼和編碼規(guī)則進(jìn)行糾錯(cuò)運(yùn)算，自動(dòng)糾正傳輸過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤，這樣就可以在一定程度上提高系統(tǒng)的通信效率。RS編碼有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。本設(shè)計(jì)令原始控制命令以不變的形式出現(xiàn)在碼組中，在其后面加入RS糾錯(cuò)碼。
因?yàn)槭瞻l(fā)雙方的地址碼固定，發(fā)送方的原始控制命令碼固定，采用RS糾錯(cuò)編碼方式，所以可以把它們組合起來(lái)列表于發(fā)送方TMS320LF2407A的內(nèi)存中，各個(gè)按鍵值分別對(duì)應(yīng)表中不同碼組，當(dāng)有按鍵動(dòng)作時(shí)，根據(jù)鍵值去查表并發(fā)送相應(yīng)的碼組。接收方列表中存放地址碼和原始控制命令碼，原始控制命令碼分別對(duì)應(yīng)不同的工程機(jī)械動(dòng)作。
4.2 收發(fā)雙方通信協(xié)議設(shè)計(jì)
SCI模塊支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。SCI接收器和發(fā)射器都是雙緩沖的，每一個(gè)都有其單獨(dú)的使能和中斷標(biāo)志位。NRF903的DATA口采用透明協(xié)議的方式進(jìn)行通信，將收到的數(shù)據(jù)原封不動(dòng)地發(fā)射出去，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議。

本設(shè)計(jì)選擇SCI模塊空閑線喚醒模式。空閑線模式在地址前留有一個(gè)固定空間。初始化SCICCR=07h，選擇停止位為1 bit，禁止奇偶校驗(yàn)，禁止自測(cè)試模式，選擇空閑線多處理器模式，SCI字符長(zhǎng)度為8 bit。本設(shè)計(jì)用一個(gè)幀塊實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)控制命令的定義。幀塊的第一幀為地址幀，存放收發(fā)雙方的共同地址。由于在同一場(chǎng)所運(yùn)作的工程機(jī)械并不會(huì)很多，所以用8 bit(保證28=256臺(tái)機(jī)械在同一場(chǎng)所工作)表示地址就已足夠。實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制指令的幀塊格式如圖5所示。

開(kāi)始位(0)只占一位，用來(lái)通知接收設(shè)備一個(gè)待接收的字符開(kāi)始到達(dá)。線路在不傳送字符時(shí)應(yīng)保持為1。接收端不斷檢測(cè)線路的狀態(tài)，若連續(xù)為1后又檢測(cè)到一個(gè)0，就知道發(fā)來(lái)一個(gè)新字符，應(yīng)馬上準(zhǔn)備接收。因?yàn)樵O(shè)計(jì)中使用的是無(wú)線信道，如何使接收引腳SCIRXD在空閑狀態(tài)下檢測(cè)到連續(xù)1是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于NRF903有一個(gè)輸出引腳C_SENSE，當(dāng)接收通道沒(méi)有接收到載波時(shí)，C_SENSE是穩(wěn)定的0狀態(tài)；當(dāng)接收通道接收到載波時(shí)，C_SENSE變成1狀態(tài)。根據(jù)此引腳特性，在C_SENSE引腳加一個(gè)非門之后與NRF903的數(shù)據(jù)接收引腳經(jīng)或門之后連接到SCIRXD引腳(如圖2所示)，就可以解決上述問(wèn)題。
由于SCI模塊的通信協(xié)議并不是針對(duì)無(wú)線信道的，所以在用于無(wú)線信道時(shí)，既要考慮如何更有效地利用SCI模塊的既定通信協(xié)議，又要考慮使SCI的既定通信協(xié)議能夠盡量容忍控制命令經(jīng)過(guò)無(wú)線信道后發(fā)生的畸變，使通信能夠正常進(jìn)行。
用編程的方式配置SCI通信協(xié)議。配置串行通信接口控制寄存器1SCICTL1=0Fh，將TXWAKE位置1；寫1到TXWAKE (SCICTL1.3)，然后將數(shù)據(jù)寫入SCITXBUF寄存器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)11位數(shù)據(jù)位的空閑周期；將SLEEP位(SCICTL1.2)置為1，使得它們?cè)跈z測(cè)到地址字節(jié)時(shí)才被中斷。當(dāng)處理器讀取到的地址與應(yīng)用軟件設(shè)置的本處理器的地址相符時(shí)，用戶程序清除SLEEP位，以確保串行通信接口在收到每一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷。設(shè)置串行通信接口控制寄存器2(SCICTL2)使能RXRDY/BRKDT中斷和TXRDY中斷。設(shè)置波特率選擇寄存器，決定收發(fā)雙方控制命令的傳送速率。
雖然處理器在SLEEP位為1時(shí)仍能工作，但除非檢測(cè)到地址字，否則不能將RXRDY、RXINT或任何接收錯(cuò)誤狀態(tài)位置1，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。經(jīng)無(wú)線傳輸后地址幀可能畸變，如果地址幀的畸變比特在RS碼的糾錯(cuò)能力之內(nèi)，則可以被接收器認(rèn)為是地址幀，即對(duì)地址幀進(jìn)行一次粗判之后清除SLEEP位為0，實(shí)現(xiàn)控制命令幀和RS糾錯(cuò)幀的接收。接收流程如圖6所示。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了工程機(jī)械遙控系統(tǒng)的高可靠性要求。但整體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還需要注意操作板鍵盤與TMS320LF2407A接口設(shè)計(jì)以及TMS320LF2407A與工程機(jī)械接口設(shè)計(jì)等問(wèn)題。為了使工程機(jī)械遙控器的操作者更清楚地了解工程機(jī)械的運(yùn)行情況，還可以在遙控器的發(fā)射方添加一個(gè)LCD以及在工程機(jī)械上安裝一些傳感器，使遙控器發(fā)射方實(shí)時(shí)檢測(cè)工程機(jī)械的運(yùn)行情況等，進(jìn)一步提高其可靠性。
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