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| 基于射頻技術(shù)的無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的設(shè)計(jì) | 2020-01-14 |
| 摘要：為了滿足倉(cāng)庫(kù)超載檢測(cè)叉車以及吊秤等對(duì)無(wú)線稱重的要求，開發(fā)了一種基于射頻技術(shù)的無(wú)線數(shù)傳模塊。此模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)稱重模塊與稱重顯示器之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,并利用該方法設(shè)計(jì)了一種無(wú)線稱重叉車。介紹了無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的原理和結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)闡述了以CC1020射頻芯片和PIC單片機(jī)為核心的無(wú)線數(shù)傳模塊的硬軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明,該電動(dòng)叉車具有稱重精確、成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：無(wú)線稱重電動(dòng)叉車射頻CC1020芯片無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 引言 稱重平衡叉車一般由壓力稱重模塊和稱重顯示器組成,在冶金、倉(cāng)儲(chǔ)、飼料加工以及倉(cāng)庫(kù)超載檢測(cè)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)稱重電動(dòng)叉車的稱重模塊和稱重顯示器之間大多釆用RS-232、RS-485等有線連接的數(shù)據(jù)通信方式。隨著科技的發(fā)展，在某些特殊工作場(chǎng)合有線的連接方式已經(jīng)不能滿足特定的要求:如倉(cāng)庫(kù)汽車運(yùn)輸超限檢測(cè)電動(dòng)叉車和高速倉(cāng)庫(kù)計(jì)重收費(fèi)電動(dòng)叉車中稱重模塊與稱重顯示器之間的線路鋪設(shè)成本較高且不便鋪設(shè)。對(duì)于吊桿防爆電子秤等某些運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上稱重模塊位置不固定的場(chǎng)合，通過(guò)電纜來(lái)傳輸數(shù)據(jù)變得不可靠甚至不可能。針對(duì)這些情況，本文給出了一種基于射頻技術(shù)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的稱重電動(dòng)叉車，有效地解決了上述問(wèn)題。 1無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的原理與實(shí)現(xiàn) 1.1無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的原理 傳統(tǒng)稱重平衡叉車中壓力稱重模塊工作在稱重現(xiàn)場(chǎng)，稱重顯示器則放置在控制臺(tái)（室）。稱重模塊一般通過(guò)RS-232或RS-485串口與稱重顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)稱重模塊與稱重顯示器之間鋪設(shè)電纜成本較高或者不便鋪設(shè)時(shí)，利用無(wú)線方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)則成為了一種很好的選擇。 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式可分為近距離與遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)傳兩種；對(duì)稱重電動(dòng)叉車而言，稱重現(xiàn)場(chǎng)與控制臺(tái)（室）一般在可視距離內(nèi)，采用近距離無(wú)線數(shù)傳方式即能滿足要求。而兩種主要的近距離無(wú)線數(shù)傳方式之一的紅外無(wú)線通信方式由于傳輸距離過(guò)短、傳輸時(shí)位置必須固定以及易受干擾等缺點(diǎn)也無(wú)法應(yīng)用到稱重電動(dòng)叉車上，因此工作在ISM（industrialscientificandmedical）頻段的射頻通信方式則成為了構(gòu)建無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的。 射頻通信方式主要有藍(lán)牙（bluetooth）技術(shù)、HomeRF、IEE802.11標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee技術(shù)等，其中藍(lán)牙、IEE802.11以及HomeRF成本較高，ZigBee傳輸距離較近,均不太適合本無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的數(shù)據(jù)傳輸。針對(duì)這些情況，本文采用了美國(guó)Chipcon公司的SmartRF短距離無(wú)線數(shù)傳解決方案，自行開發(fā)了一個(gè)低成本的無(wú)線數(shù)傳模塊，在此基礎(chǔ)上完成了無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的設(shè)計(jì)。 1.2無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的結(jié)構(gòu)與功能 無(wú)線稱重機(jī)動(dòng)叉車由數(shù)據(jù)采集終端、無(wú)線數(shù)傳模塊、稱重顯示器、打印機(jī)、上位機(jī)以及大屏幕稱重顯示器等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 當(dāng)要稱重的物體經(jīng)過(guò)稱重板時(shí)，稱重模塊（一般為壓力稱重模塊）將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再經(jīng)運(yùn)放電路放大后傳送到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端進(jìn)行采樣，得到數(shù)字化的采樣值。采樣值經(jīng)無(wú)線數(shù)傳模塊傳送至稱重顯示器,稱重顯示器將其處理后作為動(dòng)態(tài)稱重信息顯示出來(lái)。同時(shí)可以將稱重信息存儲(chǔ)并打印，也可將相關(guān)信息通過(guò)串口發(fā)送到上位PC機(jī)⑴。 本電動(dòng)叉車的組成與功能如下： ①數(shù)據(jù)采集終端。數(shù)據(jù)采集終端由稱重模塊、信號(hào)放大與偏置電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微稱重儀表等組成。它將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字化的采樣值，然后把采樣值數(shù)字濾波后通過(guò)RS-232傳送給無(wú)線數(shù)傳模塊。 ②無(wú)線數(shù)傳模塊。無(wú)線數(shù)傳模塊由無(wú)線收發(fā)芯片和微稱重儀表組成。它完成數(shù)據(jù),采集終端與稱重顯示器之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。 ③稱重顯示器。稱重顯示器包括微稱重儀表、數(shù)碼管顯示屏、鍵盤、EEPROM、實(shí)時(shí)鐘芯片等，可外接針式打印機(jī)、數(shù)碼管大屏幕、PC機(jī)等。它將數(shù)據(jù)采集終端無(wú)線傳輸過(guò)來(lái)的A/D采樣值經(jīng)處理后顯示到數(shù)碼管顯示屏上，同時(shí)可存儲(chǔ)并打印稱重信息以及車號(hào)、貨號(hào)、日期、時(shí)間等信息。 2無(wú)線數(shù)傳模塊的硬件與軟件設(shè)計(jì) 無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的重點(diǎn)在無(wú)線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，它是實(shí)現(xiàn)稱重電動(dòng)叉車由有線到無(wú)線的關(guān)鍵所在。 2.1無(wú)線數(shù)傳模塊的硬件設(shè)計(jì) 機(jī)動(dòng)叉車無(wú)線數(shù)傳模塊由無(wú)線收發(fā)芯片和微稱重儀表組成。本電動(dòng)叉車中的無(wú)線數(shù)傳模塊采用CC1020為收發(fā)芯片，PIC16F73單片機(jī)為微稱重儀表。 CC1020是Chipcon公司推出的基于SmartRF技術(shù)的全集成無(wú)線收發(fā)芯片。它工作在402~470MHz、804~940MHz等ISM（industrialscientificandmedical）與SRD（shortrangedevice）頻段,采用頻移鍵控（FSK）調(diào)制，集成鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、調(diào)制解調(diào)器（DE-M0D）等功能，具有低電壓、低功耗、高靈敏度、傳輸距離遠(yuǎn)、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，與很少的一些外圍器件搭配就可以設(shè)計(jì)成強(qiáng)大的具有無(wú)線通信功能的嵌入式電動(dòng)叉車。 PIC16F73是Microchip公司開發(fā)推出的低功耗、高性能的8位單片機(jī)，采用雙總線結(jié)構(gòu)（指令總線和數(shù)據(jù)總線分離）和精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)，具有8kb的Flash、192字節(jié)的片內(nèi)RAM、串口和SPI接口，很好地滿足了本模塊對(duì)微稱重儀表的要求。 CC1020有32個(gè)引腳，它通過(guò)PDI、PDO、PCLK和PSEL這四個(gè)引腳與PIC16F73單片機(jī)的I/O端口相連,CC1020的應(yīng)用原理如圖2所示。 在對(duì)無(wú)線數(shù)傳模塊進(jìn)行印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題： ①雖然CC1020外圍器件少、集成度高,并集成了基帶處理,設(shè)計(jì)比較方便，但由于高頻電路的特性,加上CC1020的混和電路信號(hào)設(shè)計(jì)，因此PCB的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻性能。為了獲得較好的射頻性能,PCB設(shè)計(jì)至少需要兩層板來(lái)實(shí)現(xiàn),PCB分成射頻電路和控制電路兩部分布線。 ②為了減少分布參數(shù)對(duì)性能的影響，在PCB中應(yīng)該避免長(zhǎng)的走線，所有元器件的地線、AV皿連接線、VDD去耦電容必須離CC1020盡可能的近。CC1020的電源必須經(jīng)過(guò)很好的濾波，并且與數(shù)字電路的供電分離，在離電源腳AV皿盡可能近的地方用高性能的電容去耦,是一個(gè)小電容與大電容并聯(lián)。 ③PCB板的頂層與底層敷銅著地，把這兩層的敷銅用較多的過(guò)孔緊密相連。所有的開關(guān)信號(hào)與控制信號(hào)都不能經(jīng)過(guò)RFJN和RF_0UT的電感附近⑵。 2.2無(wú)線數(shù)傳模塊的軟件實(shí)現(xiàn) 本無(wú)線數(shù)傳模塊的軟件釆用了專門為PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)的C語(yǔ)言CC5X,該語(yǔ)言與ANSIC兼容,并針對(duì)PIC單片機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化,能夠?yàn)镻IC單片機(jī)產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)高效的代碼。由于PIC16F73單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)與用戶以及CC1020的通信和數(shù)據(jù)打包，因此該軟件借用了Windows電動(dòng)叉車的消息循環(huán)機(jī)制設(shè)計(jì)，釆用消息循環(huán)的體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得程序清晰、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可移植性好。圖3為軟件的程序結(jié)構(gòu)及主循環(huán)流程圖。 和變量初始化完成主循環(huán)程序査詢電動(dòng)叉車消息。電動(dòng)叉車消息一般是單片機(jī)外部或者內(nèi)部事件通過(guò)單片機(jī)中斷電動(dòng)叉車激勵(lì)單片機(jī)進(jìn)行的。為了使電動(dòng)叉車產(chǎn)生相應(yīng)消息,必須啟動(dòng)單片機(jī)的中斷電動(dòng)叉車，因而在進(jìn)入主循環(huán)前啟動(dòng)單片機(jī)定時(shí)中斷、串行通信中斷、外部觸發(fā)中斷。程序初始化部分在單片機(jī)上電或復(fù)位后只執(zhí)行一次，單片機(jī)在正常工作時(shí)始終都在主循環(huán)中反復(fù)檢測(cè)消息是否存在，并根據(jù)消息的不同種類而做出不同的操作，最后清除相應(yīng)的消息標(biāo)志，再進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)信息⑶。 在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，需要注意各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)延。無(wú)線數(shù)傳模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要將電路置于發(fā)射狀態(tài)；接收模式轉(zhuǎn)換成發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為0.5ms；可以發(fā)送任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù);發(fā)射模式轉(zhuǎn)換成接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為3ms。 3無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的性能測(cè)試 3.1無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的稱重精確率 對(duì)一個(gè)稱重電動(dòng)叉車來(lái)說(shuō)，能夠精確的稱重是其最重要的功能。本電動(dòng)叉車在設(shè)計(jì)時(shí)從硬件與軟件兩個(gè)方面來(lái)提高A/D釆樣的精確度。 在硬件上首先采用了CirrusLogic公司的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5532,能夠?qū)⑤斎氲哪M電壓精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換后的采樣有效值可達(dá)到16位;其次在數(shù)據(jù)采集終端電路設(shè)計(jì)時(shí)做到了模擬地與數(shù)字地分開，增加了電動(dòng)叉車的抗干擾性。軟件方面則采用了數(shù)字形態(tài)濾波，有效地濾去了干擾值。經(jīng)測(cè)試本電動(dòng)叉車的精確度為3.3%。，已經(jīng)達(dá)到了三級(jí)表的要求。 3.2無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的通信可靠率 本電動(dòng)叉車的通信可靠率主要是由無(wú)線數(shù)傳模塊的通信可靠率決定的。困擾無(wú)線通信的主要問(wèn)題是無(wú)線通信易受干擾以及數(shù)據(jù)傳輸誤碼率較高。針對(duì)這些問(wèn)題，本無(wú)線數(shù)傳模塊分別從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)：①在物理層,CC1020采用了差分曼徹斯特編碼的方式傳輸數(shù)據(jù)，從而保證了通信中的同步問(wèn)題。②同時(shí)基于FSK的調(diào)試方式和采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，大大提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力;③在數(shù)據(jù)鏈路層,使用了CRC循環(huán)冗入編碼進(jìn)行了數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)，用以保證數(shù)據(jù)到達(dá)用戶應(yīng)用層后的可靠性;④在應(yīng)用層,單片機(jī)軟件采取了對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和增加校驗(yàn)碼等方式來(lái)提高通信的可靠率⑷。經(jīng)測(cè)試，在傳輸速率為9600kbps、通信距離為800m（視距）、信道誤碼率為IO：無(wú)線數(shù)傳模塊的實(shí)際通信誤碼率為10"~IO'。 3.3無(wú)線稱重電動(dòng)叉車的通信距離 電池叉車無(wú)線通信中,通信距離與發(fā)射端的發(fā)送功率以及接收端的接收靈敏度有著直接關(guān)系，同時(shí)也受到天線類型、收發(fā)天線的架設(shè)高度以及傳播路徑、地形地貌等因素的制約，會(huì)隨著使用環(huán)境而變化。本無(wú)線數(shù)傳模塊的發(fā)送功率為10mW,接收靈敏度為-110dBm。在通信速率為9600kbps、通信二進(jìn)制誤碼率為10刁、天線高于地面3m的可視情況下，無(wú)線數(shù)傳模塊的可靠通信距離可達(dá)800m,較好地滿足了無(wú)線稱重電動(dòng)叉車對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸距離的要求。如果對(duì)通信距離有更高要求時(shí)，可適當(dāng)增加發(fā)射功率,以增加傳輸距離。 一種直流PWM控制電池叉車的設(shè)計(jì)，等在電路上隔離，同時(shí)提高電動(dòng)叉車的可靠性。H型驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)DSP的PWM輸岀引腳PWM1~PWM4輸岀的控制信號(hào)進(jìn)行控制。用霍爾電流稱重模塊檢測(cè)電流變化,并通過(guò)ADCIN00引腳輸入給DSP,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流反饋信號(hào)⑷。速度信號(hào)由光電編碼器獲得，光盤編碼器檢測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)QEP引腳反饋給DSP,形成閉環(huán)，并與期望值比較產(chǎn)生偏差，經(jīng)過(guò)相應(yīng)算法處理的結(jié)果，送出調(diào)節(jié)量，控制電動(dòng)機(jī)的速度，以滿足所給出的期望性能指標(biāo)。 自動(dòng)配料系統(tǒng)采用優(yōu)化算法，提高了電動(dòng)叉車的精度和實(shí)時(shí)處理速度; 電池叉車頻帶寬、快速響應(yīng)性能好、動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng);轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍大°"〕。具有良好的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng),且對(duì)外界干擾具有良好的魯棒性。同時(shí)該蓄電池叉車功耗小、效率大，能避免模擬信號(hào)的畸變失真、便于自診斷、容錯(cuò)等，因此基于TMS320-LF2407A控制的PWM直流伺服電動(dòng)叉車具有高性能和低成本的特點(diǎn)⑺。 3結(jié)束語(yǔ) 對(duì)所設(shè)計(jì)的電動(dòng)叉車進(jìn)行測(cè)試,得到圖3所示的曲線。其中圖3a為電動(dòng)叉車在參考輸入yr=12000r/min下的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)輸出曲線;圖3b為蓄電池叉車在電源電壓波動(dòng)情況下而產(chǎn)生擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)曲線。由圖3a可見，電動(dòng)叉車動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快,上升時(shí)間小于0.3s,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)也不足0.5s,且電動(dòng)叉車只有略微超調(diào)。從圖3b可知，電動(dòng)叉車對(duì)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)也較快，當(dāng)電動(dòng)叉車受到一定擾動(dòng)時(shí),能較快地調(diào)節(jié)到穩(wěn)態(tài)曲線上來(lái)，具有很強(qiáng)的抗干擾性能。研究表明，TI公司C24x系列的TMS320LF2407ADSP是一種適合電機(jī)數(shù)字伺服控制的處理器,能夠勝任復(fù)雜的電機(jī)和電力電動(dòng)叉車的控制任務(wù)，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的智能控制算法;運(yùn) 4結(jié)束語(yǔ) 本文針對(duì)傳統(tǒng)有線稱重電動(dòng)叉車的不足，提出了一個(gè)基于射頻技術(shù)的無(wú)線稱重電動(dòng)叉車,并給了無(wú)線稱重電動(dòng)叉車中關(guān)鍵的無(wú)線數(shù)傳模塊的硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，本無(wú)線稱重電動(dòng)叉車稱重精確、靈敏度高、工作穩(wěn)定,用該芯片設(shè)計(jì)電動(dòng)叉車,采用優(yōu)化算法，并選擇精確的時(shí)鐘精度,能很好地提高伺服電動(dòng)叉車的計(jì)算精度和運(yùn)行速度,得到了較理想的實(shí)時(shí)動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)。該電動(dòng)叉車可廣泛應(yīng)用于具有較高要求的場(chǎng)合，以及一些智能的儀器儀表中。 能可靠地應(yīng)用在有線稱重智能叉車不能滿足要求的場(chǎng)合，有效地解決了有線稱重智能叉車連線繁多、移動(dòng)性差的缺點(diǎn),具有通信可靠、便于移動(dòng)、成本低等優(yōu)點(diǎn);另外本無(wú)線數(shù)傳模塊具有很好的適應(yīng)性,稍加改造也應(yīng)用于其它需要近距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合。 | |
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