1.1 系統總體結構圖7 X& q% O/ l: t$ j# Z. g; F7 ]4 G
鋼絲繩無損檢測系統由數據采集端和接收處理端組成。數據采集端系統框圖如圖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機械學院無損檢測實驗室具有自主知識產權的無損檢測傳感器，該傳感器由2個霍爾元件和1個旋轉編碼器組成，輸出4路模擬信號，1路脈沖信號。經過信號處理模塊將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轉化得到的結果進行數據封裝，最后利用SPI接口寫入RF24L01模塊實現無線傳輸。
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接收處理端系統框圖如圖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，接收數據采集端發送的數據。在接收到數據后，LM 3S1138處理器模塊對數據進行解析，并通過串口或USB將數據傳送到PC機，PC機終端收到數據后，對數據進行處理、存儲、顯示等一系列操作。
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1.2 無線收發模塊設計
5 r. u, m4 I3 p! @$ x+ a 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器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型SehockBurst TM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。極低的電流消耗：當工作在發射模式下發射功率為-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據傳輸場合。3 ]/ J+ T9 _& f2 C
圖3是基于nRF24L01芯片的無線收發模塊電路。圖中偏置電阻R2用來設置一個精確的偏置電流;C3，C4，L1和L2形成一個平衡轉換器，用以將nRF24L01上的差分RF端口轉換成單端RF信號;MOSI，MISO，SCK和CSN構成SPI接口，用來對nRF24L01內部寄存器的配置和數據的讀寫;CE信號用來控制nRF24L01的工作模式，IRQ用來指示nRF24L01的工作狀態。為了使芯片能夠穩定工作，必須在芯片電源輸入端加上小的濾波電容，以得到高質量的電源供電，從而使通信效果達到最佳。9 ?7 m5 C9 L, w) B5 p" ~
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4 B2 I/ Q( c9 k: C5 c' M 1.3 LM3S1138處理器與nRF24L01接口設計
% B2 V8 g) b! B J# W( b 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據。本系統利用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為數字傳輸管腳，MOSI用于數據輸入，MISO用于數據輸出。SCK為同步時鐘，在時鐘的上升沿或下降沿數字數據被寫入或讀出。具體SPI模擬接口的讀寫代碼如下：6 v8 E+ z! Q2 F% f+ j8 T3 q! [) V6 A! E
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0 D$ @, J# T! Q% R 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。
- q$ p% }' p0 \ 2 系統軟件設計: s' @) }) a9 r* U/ R& _$ Z o
通過軟件的優化設計，能夠將整個硬件系統有機聯系起來。在近距離范圍內不需要復雜的防干擾算法，只要對數據進行簡單的封裝就可以。, h$ q- q, L4 @7 A; a
2.1 數據采集端軟件設計( F! \9 y$ u) S1 G8 _
數據采集端負責數據的采集和無線轉發，軟件設計部分主要包括：LM3S1138的系統和接口配置，nRF24L01無線模塊的初始化，A/D轉換，數據的無線轉發，具體流程圖如4所示。, W' `3 e' s6 B6 x/ B
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2.2 數據接收處理端軟件設計: p2 y/ a8 D$ p* u7 i
數據接收端的任務是按照PC終端的指令執行數據接收和上傳的工作，軟件設計部分主要包括：LM3S1138系統和接口配置，nRF24L01無線模塊的初始化，PC終端命令解析，數據上傳，具體流程圖如圖5所示。! X4 j7 C6 C3 M1 W6 z$ G) T, i; K
3 結論
0 ^- b* E9 ]& G* R+ f# N 本文所設計的系統能夠和有線系統一樣實現無漏點的無損檢測，同時該系統具有安裝簡單，可靠性強，能夠應用于各種惡劣工作環境下的鋼絲繩無損檢測，便于以后進行多點系統集成和統一管理的特點，而且大大降低無損檢測系統的成本和縮短施工周期。本文也為鋼絲繩無損檢測系統提出了一種新的傳輸方式，具有廣闊的應用前景。2 x% l* D$ x4 ]$ w1 U( Z
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發表于 2016-11-14 16:44:19
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