基于nRF24L01的鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)

　　本文提出了一種基于nRF24L01的無線傳輸方式下的鋼絲繩無損檢測方法，利用該系統(tǒng)對在線鋼絲繩進行無損檢測，檢測結(jié)果采用nRF24L01進行無線傳輸，克服了有線傳輸?shù)膽?yīng)用弊端，解決了鋼絲繩惡劣的工作環(huán)境和其無損檢測有線傳輸方式的矛盾，提高了檢測精度。

　　1 鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和接收處理端組成。數(shù)據(jù)采集端系統(tǒng)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無線模塊。其中傳感器部分采用華中科技大學(xué)機械學(xué)院無損檢測實驗室具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無損檢測傳感器，該傳感器由2個霍爾元件和1個旋轉(zhuǎn)編碼器組成，輸出4路模擬信號，1路脈沖信號。經(jīng)過信號處理模塊將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時對8路模擬信號進行采集，并將A/D轉(zhuǎn)化得到的結(jié)果進行數(shù)據(jù)封裝，最后利用SPI接口寫入RF24L01模塊實現(xiàn)無線傳輸。

　　接收處理端系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要分為：RF24L01無線模塊，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RF24L01無線模塊，接收數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在接收到數(shù)據(jù)后，LM 3S1138處理器模塊對數(shù)據(jù)進行解析，并通過串口或USB將數(shù)據(jù)傳送到PC機，PC機終端收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行處理、存儲、顯示等一系列操作。

　　1.2 無線收發(fā)模塊設(shè)計

　　nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(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(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進行設(shè)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時電流消耗為9 mA，接收模式時為12.3 mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。無線傳輸速率可以達到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，能夠滿足對實時性要求較高的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸場合。

　　圖3是基于nRF24L01芯片的無線收發(fā)模塊電路。圖中偏置電阻R2用來設(shè)置一個精確的偏置電流;C3，C4，L1和L2形成一個平衡轉(zhuǎn)換器，用以將nRF24L01上的差分RF端口轉(zhuǎn)換成單端RF信號;MOSI，MISO，SCK和CSN構(gòu)成SPI接口，用來對nRF24L01內(nèi)部寄存器的配置和數(shù)據(jù)的讀寫;CE信號用來控制nRF24L01的工作模式，IRQ用來指示nRF24L01的工作狀態(tài)。為了使芯片能夠穩(wěn)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(shè)計

　　nRF24L01通過4線SPI兼容接口(MOSI，MISO，SCK和CSN)配置，這個接口同時用作寫和讀緩存數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)利用LM3S1138處理器的4個I/O口就可以對SPI接口進行模擬。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，SPI接口可以通信，反之不能通信。MOSI和MISO為數(shù)字傳輸管腳，MOSI用于數(shù)據(jù)輸入，MISO用于數(shù)據(jù)輸出。SCK為同步時鐘，在時鐘的上升沿或下降沿數(shù)字數(shù)據(jù)被寫入或讀出。具體SPI模擬接口的讀寫代碼如下：

　　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時鐘輸出高電平和低電平。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　通過軟件的優(yōu)化設(shè)計，能夠?qū)⒄麄€硬件系統(tǒng)有機聯(lián)系起來。在近距離范圍內(nèi)不需要復(fù)雜的防干擾算法，只要對數(shù)據(jù)進行簡單的封裝就可以。

　　2.1 數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集端負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和無線轉(zhuǎn)發(fā)，軟件設(shè)計部分主要包括：LM3S1138的系統(tǒng)和接口配置，nRF24L01無線模塊的初始化，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的無線轉(zhuǎn)發(fā)，具體流程圖如4所示。

　　2.2 數(shù)據(jù)接收處理端軟件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)接收端的任務(wù)是按照PC終端的指令執(zhí)行數(shù)據(jù)接收和上傳的工作，軟件設(shè)計部分主要包括：LM3S1138系統(tǒng)和接口配置，nRF24L01無線模塊的初始化，PC終端命令解析，數(shù)據(jù)上傳，具體流程圖如圖5所示。

　　3 結(jié)論

　　本文所設(shè)計的系統(tǒng)能夠和有線系統(tǒng)一樣實現(xiàn)無漏點的無損檢測，同時該系統(tǒng)具有安裝簡單，可靠性強，能夠應(yīng)用于各種惡劣工作環(huán)境下的鋼絲繩無損檢測，便于以后進行多點系統(tǒng)集成和統(tǒng)一管理的特點，而且大大降低無損檢測系統(tǒng)的成本和縮短施工周期。本文也為鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)提出了一種新的傳輸方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。