nRF24L01和Actel FPGA的智能探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 nRF24L01和Actel FPGA的智能探測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)了基于nRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸芯片和Fusion StartKit開發(fā)板的智能探測系統(tǒng)。通過開啟nRF24L01的ACK PAYLOAD功能實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)與上位機(jī)之間的雙向通信，采用Actel公司帶有APB3總線的8051S軟核在Fusion StartKit開發(fā)板上構(gòu)建片上系統(tǒng)，使用MFC編寫Windows環(huán)境下的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送、自動(dòng)避障、遠(yuǎn)程操控等功能的智能探測系統(tǒng)。 目前一些惡劣或危險(xiǎn)的環(huán)境人類仍然無法置身其中開展現(xiàn)場檢測，如出現(xiàn)險(xiǎn)情的礦井地道、地形崎嶇的巖洞等，很難取得

2、現(xiàn)場的參數(shù)。在這種情況下只有借助于智能探測裝置。因智能小車控制方便、行動(dòng)靈活，比照其他載體工具更容易勝任探測任務(wù)，因此成為各種探測儀器的工具。 本文設(shè)計(jì)的智能探測系統(tǒng)以小車為載體，將所測得的現(xiàn)場參數(shù)通過nRF24L01無線模塊實(shí)時(shí)傳回上位機(jī)，具有快速靈活的特點(diǎn)；在實(shí)際工作時(shí)可左右轉(zhuǎn)向和后退，自動(dòng)躲避障礙物；同時(shí)該小車操控方便，可通過MFC搭建的人機(jī)交互界面利用鼠標(biāo)和鍵盤對小車開展遠(yuǎn)程控制。 1、系統(tǒng)總體構(gòu)造設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)基于Actel FPGA實(shí)現(xiàn)，采用兩塊Fusi。nStartkit開發(fā)板，一塊作為車載控制板，另一塊作為中轉(zhuǎn)板。車載控制板負(fù)責(zé)采集溫度、濕度、板載電壓、當(dāng)前路況以及人體檢測等現(xiàn)場

3、信息，驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)行，同時(shí)通過無線發(fā)送現(xiàn)場信息以及接收上位機(jī)的控制命令。中轉(zhuǎn)板負(fù)責(zé)將接收到的無線信號(hào)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī)，同時(shí)將PC機(jī)由串口返回的控制指令利用無線模塊發(fā)送給車載控制板。PC機(jī)上采用MFC編寫人機(jī)交互界面，顯示小車所在環(huán)境的相關(guān)信息，同時(shí)提供鼠標(biāo)、鍵盤等完善的操控手段。系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)構(gòu)造框圖 2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2、1無線數(shù)據(jù)傳輸芯片nRF24L01 2.1.1芯片簡介H nRF24L01是挪威NorDic公司的單片2.4 GHz無線收發(fā)一體芯片，有多達(dá)125個(gè)頻道可供選擇，支持1 Mbs和2 Mbs傳輸速率。該芯片采用SPI接口開展數(shù)據(jù)讀寫和參數(shù)配置，以存放器映射

4、方式對各個(gè)存放器開展管理，同時(shí)具有自動(dòng)重傳、動(dòng)態(tài)有效信息長度（DPL）、應(yīng)答信號(hào)攜帶有效信息（ACK PAYLOAD）等功能。 2.1.2功能 動(dòng)態(tài)有效信息長度（DPL）指的是發(fā)送端的nRF24L01芯片通過寫人有效數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)長度決定當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)的大小，而接收端則通過接收到的數(shù)據(jù)幀中的控制域信息而不是存放器中定義的數(shù)據(jù)長度提取有效數(shù)據(jù)。這個(gè)功能極大地提高了無線信道的使用率，同時(shí)減少了冗余數(shù)據(jù)的傳播，降低了數(shù)據(jù)在空中滯留的時(shí)間和數(shù)據(jù)被污染的概率。配合nRF24L0l的CRC校驗(yàn)和自動(dòng)重傳功能，在有效地降低數(shù)據(jù)誤碼率的同時(shí)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性。 應(yīng)答信號(hào)攜帶有效信息（ACK PAYLOAD）指

5、nRF24L01芯片在開啟自動(dòng)重傳和DPL的根底上實(shí)現(xiàn)的雙向通信功能。圖2為一對無線模塊之間的攜帶應(yīng)答有效信息的數(shù)據(jù)傳輸過程。主發(fā)送模塊（PTX）發(fā)送完第1幀數(shù)據(jù)后，自動(dòng)置為接收模式，等待主接收模塊（PRX）發(fā)送應(yīng)答信號(hào)或攜帶有效數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號(hào)。主接收模塊收到主發(fā)送模塊發(fā)送的第1個(gè)數(shù)據(jù)幀后，若此時(shí)有需要附加的有效數(shù)據(jù)，則在發(fā)送完ACK信號(hào)后繼續(xù)發(fā)送有效數(shù)據(jù)。而主發(fā)送模塊收到ACK信號(hào)后繼續(xù)接收有效信號(hào)，直到空中沒有殘留的無線信號(hào)再開始發(fā)送第2幀信號(hào)。 使用ACK PAYLOAD可以實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)和PC機(jī)的雙向通信，該功能很好地解決了手動(dòng)切換無線收發(fā)狀態(tài)導(dǎo)致雙方互相等待的問題，同時(shí)只在需要對車載控

6、制板開展控制的時(shí)刻附帶應(yīng)答有效信息，可以減少不必要的通信過程，大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 圖2攜帶ACK PAYLOAD的1次數(shù)據(jù)傳輸示意圖 2.1.3實(shí)現(xiàn)功能的配置方法 要實(shí)現(xiàn)nRF24L01的ACK PAYLOAD功能需要經(jīng)過以下步驟：首先開展無線模塊的基本配置，包括發(fā)送接收模式的選擇（CONFIG）、開啟自動(dòng)重傳功能（EN_AA）、接收地址使能（EN_ADDR）、設(shè)置重傳時(shí)問不為零（SETUP RETR）等；然后同時(shí)開啟DPL和ACK PAYLOAD功能，要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能，必須在完成步之后用nRF24L01白帶的ACTIVATE命令加上0 x73數(shù)據(jù)開啟默認(rèn)隱藏的兩個(gè)存放器FEATURE和D

7、YNPD。通過對這兩個(gè)存放器的設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信。但要注意，接收端開啟DPL后要使用R_RX PL WID命令讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的有效數(shù)據(jù)長度，同時(shí)使用W ACK PAYLOAD命令將ACK PAYLOAD寫入FIFO。 2.2 Core 80515架構(gòu) Core 8051S是Actel公司推出的基于APB3總線的8051lP核，兼容8051的全部指令，同時(shí)又具備許多51單片機(jī)所沒有的獨(dú)特功能： （1）具有可配置的JTAG接口調(diào)試功能，可利用Flash_Pro器作為其調(diào)試工具；優(yōu)化指令執(zhí)行速度，內(nèi)部設(shè)置流水線，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令，且是普通51單片機(jī)的12倍。 （2）采用APB

8、3外設(shè)總線構(gòu)造和SER存放器內(nèi)存映射方式管理外設(shè)，將外部擴(kuò)展的64 KB數(shù)據(jù)空間中的4 KB作為APB3外設(shè)的存放器內(nèi)存映射地址，每個(gè)APB3外設(shè)占據(jù)256 B的地址，因此多可添加16個(gè)外設(shè)。 （3）使用CoreConsole軟件以圖形化界面的方式添加Core8051S以及其他外設(shè)，既直觀又方便。 圖3是以CoreConsole開發(fā)的、基于Core805lS和APB3總線的50PC系統(tǒng)的典型架構(gòu)。該軟件的開發(fā)流程與Altera公司基于NIOS 處理器的soPc開發(fā)流程類似，同時(shí)又具有其獨(dú)特優(yōu)勢：在系統(tǒng)不復(fù)雜、控制部分遠(yuǎn)多于計(jì)算處理時(shí)，使用Core805s可靈活迅速地開展開發(fā)，通過安裝ISAAc

9、tel5 1為Keil提供調(diào)試驅(qū)動(dòng)可直接使用Keil編寫代碼并開展在線程序調(diào)試，而優(yōu)化后的指令執(zhí)行速度可滿足大部分應(yīng)用的要求。 圖3 CoreConsole下基于Core8051S的開發(fā)實(shí)例 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟： （1）利用CoreConsole以圖形化方式設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)所需的總線及外設(shè)，包括SPI、PWM、GP10、UART等模塊；配置各模塊與APB3總線之間的連接關(guān)系，正確分配外設(shè)地址；然后生成.文件導(dǎo)人Actel集成開發(fā)環(huán)境Libero。 （2）使用Libero的Flash Memory System Builder將Fu_S10n內(nèi)部的Flash模塊配置為Core8051S的外部程序空問。如

10、果有必要還可以將Fusi。n StartKit開發(fā)板上的SRAM作為Core8051S的外部數(shù)據(jù)空間使用。 （3）將工程編譯綜合后到開發(fā)板上，通過Keil編寫程序并開展調(diào)試。 3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1車載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 車載系統(tǒng)是本系統(tǒng)的部分，它擔(dān)負(fù)著現(xiàn)場環(huán)境探測，遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸以及未知區(qū)域檢測等重要功能。因此該部分的設(shè)計(jì)對可靠性和穩(wěn)定性要求較高。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。 圖4車載控制系統(tǒng)流程圖 車載系統(tǒng)軟件包含兩部分功能：采集現(xiàn)場各種參數(shù)和實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行模式。通過溫濕度傳感器和人體紅外傳感器采集溫濕度值以及現(xiàn)場環(huán)境是否有人信號(hào)；通過無線返；回參數(shù)決定當(dāng)前小車的運(yùn)行模式，包括自動(dòng)運(yùn)行模式、

11、半遙控模式和全遙控模式。自動(dòng)運(yùn)行模式下小車會(huì)根據(jù)采集到的光電對管組信息分析當(dāng)前的路況，從而作出相應(yīng)運(yùn)行路徑修正處理；半遙控模式下通過鼠標(biāo)控制Windows界面的參數(shù)來控制小車的行動(dòng)；全遙控模式下通過操控鍵盤可直接操控小車運(yùn)行。 車載系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，通過內(nèi)部算法開展路徑選擇和障礙規(guī)避。由于光電對管組信息相對較少，故采用查表映射法開展舵機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，即將光電對管組采集到的信息開展分類，根據(jù)不同的信息賦予小車不同的電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)值，而光電對管組采集得到的信息為6 bit數(shù)據(jù)，也就是數(shù)值為063，將其作為數(shù)組的下標(biāo)，在數(shù)組內(nèi)容中根據(jù)下標(biāo)所表征的類型設(shè)置不同的經(jīng)驗(yàn)值，通過大量的運(yùn)行測試即可得到比較理想的參數(shù)。車載系統(tǒng)檢測到小障礙物時(shí)，查表得到舵機(jī)電機(jī)參數(shù)，轉(zhuǎn)過一定角度繞開障礙物繼續(xù)運(yùn)行；檢測到較大障礙物且無法繞過時(shí)，車載系統(tǒng)倒車回到安全區(qū)域繼續(xù)運(yùn)行。 由于光電對管組存在干擾信號(hào)，在算法上開展了如下濾波處理：利用記憶功能將前幾次的行進(jìn)路線保存，通過與當(dāng)前輸出狀態(tài)的比對，判斷是否為干擾信息以決定是否摒棄當(dāng)前控制量。 以上算法保證了車載系統(tǒng)在運(yùn)行中出錯(cuò)概率降到。 3.2人機(jī)交互界面設(shè)計(jì) A機(jī)交互界面是采用微軟根底類（MFC）開發(fā)的基于對活框架構(gòu)的應(yīng)用程序。采用CMSComm類處理中轉(zhuǎn)板與PC之間