无线传输模块在电缆偏心检测系统的应用-AET-电子技术应用

无线传输模块在电缆偏心检测系统的应用

2016年电子技术应用第10期

刘艳萍，胡冬阳，刘泽宇

河北工业大学电子信息工程学院，天津300401

摘要： 在电缆偏心检测系统中，超声波数据采集传输模块采用传统有线连接的方式布线较为复杂。提出了一种基于nRF2401射频收发芯片的无线数据采集传输模块，采用无线传输的方式解决有线传输的局限性。选用Altera公司的FPGA芯片EP4CE6F17C8作为整个模块的控制核心。设计了FPGA与nRF2401及A/D转换芯片TLC549的硬件接口电路，详细介绍了发射和接收部分的软件控制流程。结果表明，该模块工作稳定，能够实现数据的准确传输。

关键词： 电缆检测数据采集无线传输 FPGA

中图分类号： TN98
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.021
中文引用格式： 刘艳萍，胡冬阳，刘泽宇. 无线传输模块在电缆偏心检测系统的应用[J].电子技术应用，2016，42(10)：83-84，88.
英文引用格式： Liu Yanping，Hu Dongyang，Liu Zeyu. Wireless transmission module in the application of cable eccentricity detection system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：83-84，88.

Wireless transmission module in the application of cable eccentricity detection system

Liu Yanping，Hu Dongyang，Liu Zeyu

School of Electronic and Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China

Abstract： The wiring mode using the traditional wired connection is more complicated in the ultrasonic data collection and transmission module of the cable eccentricity detection system. A kind of wireless data collection and transmission module based on RF transceiver chip nRF2401 is proposed in this paper, which uses the wireless transmission method solve the limitations of wired transmission. The FPGA chip EP4CE6F17C8 of Altera company is chosen in the system as the control core of the whole module. The hardware interface circuit between FPGA to nRF2401 and TLC549 is designed. The control flows of software for the transmitting and receiving part is introduced in detail. The results show that the module works stably and can achieve the accurate transmission of the data.

Key words : cable detection；data collection；wireless transmission；FPGA

0 引言

随着我国电力工业的蓬勃发展，电缆产品质量的优劣就显得由为重要，它直接关系到各种生产设备的正常运行及人民群众的正常生活。电缆偏心检测系统实现了对电缆质量的严格把控，确保电缆同心。超声波电缆偏心检测系统具有原理简单、系统成本低等优点。本文提出一种利用无线传输方式解决超声波电缆偏心检测系统中数据采集传输的问题。

1 系统结构

本文设计的无线数据采集传输模块分为发送和接收两部分：发送部分由数据转换模块、FPGA控制模块和无线发送模块组成；接收部分由FPGA控制模块和无线接收模块组成，接收部分FPGA采用可编程片上系统(System on a Programmable Chip，SOPC)技术。数据转换模块利用TLC549芯片完成对数据的A/D转换，下位机FPGA将A/D转换后的数据送入发射模块；接收模块将接收到的数据送入上位机FPGA，并对数据进行预处理后发送到PC实现可视化，显示电缆的实时偏心度及偏心方向。系统结构如图1所示。

1.1 发送部分硬件结构

本文选用Altera公司生产的CycloneⅣ系列FPGA芯片型号为EP4CE6F17C8。该型芯片采用TSMC 60 nm工艺开发，含有6 K～150 K个逻辑单元，高达6.3 MB的嵌入式存储器，是一种普遍使用性价比较高的芯片。FPGA通过输入时钟（I/O CLOCK）和芯片选择输入 ck4-1.1-x1.gif 接口实现对TLC549的控制。FPGA与TLC549硬件接口如图2所示。

1.2 接收部分硬件结构

nRF2401无线模块由Nordic公司生产，工作频率在2.4 GHz频段，125个频道，使用1.9~3.6 V电压，满足系统低功耗的设计需求^[1]。最高传输速率可达1 Mb/s，具有高数据吞吐量，内置CRC纠检错硬件电路和协议，发送数据时自动加上处理字头和CRC码，接收数据时自动把字头和CRC码移去。由于FPGA的I/O口工作电压是3.3 V，与nRF2401的工作电平兼容，本文nRF2401与FPGA的连接采用I/O口直接连接方式^[2]。nRF2401与FPGA的接口连接如图3所示。

1.3 上位机SOPC设计

SOPC技术是Altera公司于2000年最早提出的，融合了SOC和IP的设计思想，采用了很多参数化IP，减少了硬件开发的周期和成本。本文接收部分FPGA控制模块利用SOPC技术构建一个可编程片上系统，外围电路由SDRAM、50 MHz晶振、存储器EPCS16等组成^[3]。在SOPC内添加NIOSⅡ处理器、JTAG控制器、EPCS控制器、定时器、SDRAM控制器、PIO等IP核，并分配基地址和中断。具体设计如图4所示。

2 软件设计

根据系统需求使用QuartusⅡ软件完成数据转换模块和无线发送模块控制程序的编写，在NiosⅡIDE开发环境下采用C/C++语言，完成无线接收模块控制程序的编写。

2.1 数据转换模块软件设计

数据转换模块功能是将采集到的模拟信号转化为数字信号并送入下位机FPGA，工作流程如图5所示。

利用QuartusⅡ集成的Signaltap对TLC549接口控制进行硬件仿真，仿真结果如图6所示。ADC549_CLK为时钟信号，ADC549_CS_N为片选信号，ADC549_DATA为转换输出数据。从仿真结果可以看出，当CS片选信号有效时，TLC549开始转换数据并通过DATA端口输出数据，达到了实际要求的效果。

2.2 无线发送模块软件设计

nRF2401工作模式由PWR_UP 、CE、CS引脚决定。模式为：收发模式（110）、配置模式（101）、空闲模式（100）和关机模式（0XX）。收发模式又分为ShockBurstTM收发模式和直接收发模式。本文采用ShockBurstTM模式，该模式功耗较低，抗干扰性强，并自动重发丢失数据包和产生应答信号^[4]。

首先对nRF2401进行初始化配置，通过CS、CLK1、DATA 3个引脚将其配置为ShockBurstTM收发模式，通过15个字节的配置字完成数据宽度、地址宽度、地址和CRC相关参数的配置。将配置寄存器最低位RXEN 设置为0，使之进入发送模式。FPGA向nRF2401写入数据时序及发射流程分别如图7、图8所示。

2.3 无线接收模块软件设计

无线接收模块的初始化配置同发射模块相似，将配置寄存器最低位RXEN 设置为1使之进入接收模式。nRF2401的接收流程及FPGA读取数据时序分别如图9、图10所示。

3 结束语

本文以nRF2401和CycloneⅣ芯片为基础，配合TCL549模数转换芯片，利用SOPC技术实现了数据的无线采集传输。解决了因采集探头周向运动而带来的数据传输问题，减少了电缆偏心检测系统内部之间的连接线缆，简化了整个检测系统。实践证明在10 m以内的距离能实现较好的效果，满足了系统需求。此外，本模块还可以应用到其他领域，如无线温度采集等。如需传输更远，可以外加功放以达到更好的效果。

参考文献

[1] 杨鹏飞，付锐，王畅.基于nRF2401的鼓式制动器温度监测系统设计[J].科技导报，2010(18)：84-88.

[2] 侯天星，王凤新.基于nRF2401的无线数据传输系统[J].中国农学通报，2009(7)：258-263.

[3] 张天恒，张兴红，陈锡侯，等.基于SOPC的高精度超声波温度计设计[J].传感器与微系统，2014(2)：101-104.

[4] 陈丽娟，常丹华.基于nRF2401芯片的无线数据通信[J].电子器件，2006(1)：248-250.

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