0 引言

    隨著我國(guó)電力工業(yè)的蓬勃發(fā)展，電纜產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣就顯得由為重要，它直接關(guān)系到各種生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行及人民群眾的正常生活。電纜偏心檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜質(zhì)量的嚴(yán)格把控，確保電纜同心。超聲波電纜偏心檢測(cè)系統(tǒng)具有原理簡(jiǎn)單、系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文提出一種利用無(wú)線傳輸方式解決超聲波電纜偏心檢測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膯?wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    本文設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊分為發(fā)送和接收兩部分：發(fā)送部分由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、FPGA控制模塊和無(wú)線發(fā)送模塊組成；接收部分由FPGA控制模塊和無(wú)線接收模塊組成，接收部分FPGA采用可編程片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip，SOPC)技術(shù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊利用TLC549芯片完成對(duì)數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，下位機(jī)FPGA將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入發(fā)射模塊；接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)送入上位機(jī)FPGA，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)送到PC實(shí)現(xiàn)可視化，顯示電纜的實(shí)時(shí)偏心度及偏心方向。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 發(fā)送部分硬件結(jié)構(gòu)

    本文選用Altera公司生產(chǎn)的CycloneⅣ系列FPGA芯片型號(hào)為EP4CE6F17C8。該型芯片采用TSMC 60 nm工藝開(kāi)發(fā)，含有6 K～150 K個(gè)邏輯單元，高達(dá)6.3 MB的嵌入式存儲(chǔ)器，是一種普遍使用性價(jià)比較高的芯片。FPGA通過(guò)輸入時(shí)鐘（I/O CLOCK）和芯片選擇輸入接口實(shí)現(xiàn)對(duì)TLC549的控制。FPGA與TLC549硬件接口如圖2所示。

1.2 接收部分硬件結(jié)構(gòu)

    nRF2401無(wú)線模塊由Nordic公司生產(chǎn)，工作頻率在2.4 GHz頻段，125個(gè)頻道，使用1.9~3.6 V電壓，滿足系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)需求^[1]。最高傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，內(nèi)置CRC糾檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)加上處理字頭和CRC碼，接收數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)把字頭和CRC碼移去。由于FPGA的I/O口工作電壓是3.3 V，與nRF2401的工作電平兼容，本文nRF2401與FPGA的連接采用I/O口直接連接方式^[2]。nRF2401與FPGA的接口連接如圖3所示。

1.3 上位機(jī)SOPC設(shè)計(jì)

    SOPC技術(shù)是Altera公司于2000年最早提出的，融合了SOC和IP的設(shè)計(jì)思想，采用了很多參數(shù)化IP，減少了硬件開(kāi)發(fā)的周期和成本。本文接收部分FPGA控制模塊利用SOPC技術(shù)構(gòu)建一個(gè)可編程片上系統(tǒng)，外圍電路由SDRAM、50 MHz晶振、存儲(chǔ)器EPCS16等組成^[3]。在SOPC內(nèi)添加NIOSⅡ處理器、JTAG控制器、EPCS控制器、定時(shí)器、SDRAM控制器、PIO等IP核，并分配基地址和中斷。具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

    根據(jù)系統(tǒng)需求使用QuartusⅡ軟件完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和無(wú)線發(fā)送模塊控制程序的編寫，在NiosⅡIDE開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用C/C++語(yǔ)言，完成無(wú)線接收模塊控制程序的編寫。

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊功能是將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并送入下位機(jī)FPGA，工作流程如圖5所示。

    利用QuartusⅡ集成的Signaltap對(duì)TLC549接口控制進(jìn)行硬件仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。ADC549_CLK為時(shí)鐘信號(hào)，ADC549_CS_N為片選信號(hào)，ADC549_DATA為轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)CS片選信號(hào)有效時(shí)，TLC549開(kāi)始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并通過(guò)DATA端口輸出數(shù)據(jù)，達(dá)到了實(shí)際要求的效果。

2.2 無(wú)線發(fā)送模塊軟件設(shè)計(jì)

    nRF2401工作模式由PWR_UP 、CE、CS引腳決定。模式為：收發(fā)模式（110）、配置模式（101）、空閑模式（100）和關(guān)機(jī)模式（0XX）。收發(fā)模式又分為ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式。本文采用ShockBurstTM模式，該模式功耗較低，抗干擾性強(qiáng)，并自動(dòng)重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)^[4]。

    首先對(duì)nRF2401進(jìn)行初始化配置，通過(guò)CS、CLK1、DATA 3個(gè)引腳將其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式，通過(guò)15個(gè)字節(jié)的配置字完成數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、地址和CRC相關(guān)參數(shù)的配置。將配置寄存器最低位RXEN 設(shè)置為0，使之進(jìn)入發(fā)送模式。FPGA向nRF2401寫入數(shù)據(jù)時(shí)序及發(fā)射流程分別如圖7、圖8所示。

2.3 無(wú)線接收模塊軟件設(shè)計(jì)

    無(wú)線接收模塊的初始化配置同發(fā)射模塊相似，將配置寄存器最低位RXEN 設(shè)置為1使之進(jìn)入接收模式。nRF2401的接收流程及FPGA讀取數(shù)據(jù)時(shí)序分別如圖9、圖10所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

    本文以nRF2401和CycloneⅣ芯片為基礎(chǔ)，配合TCL549模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，利用SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線采集傳輸。解決了因采集探頭周向運(yùn)動(dòng)而帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，減少了電纜偏心檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部之間的連接線纜，簡(jiǎn)化了整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)踐證明在10 m以內(nèi)的距離能實(shí)現(xiàn)較好的效果，滿足了系統(tǒng)需求。此外，本模塊還可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如無(wú)線溫度采集等。如需傳輸更遠(yuǎn)，可以外加功放以達(dá)到更好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊鵬飛，付銳，王暢.基于nRF2401的鼓式制動(dòng)器溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技導(dǎo)報(bào)，2010(18)：84-88.

[2] 侯天星，王鳳新.基于nRF2401的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009(7)：258-263.

[3] 張?zhí)旌?，張興紅，陳錫侯，等.基于SOPC的高精度超聲波溫度計(jì)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014(2)：101-104.

[4] 陳麗娟，常丹華.基于nRF2401芯片的無(wú)線數(shù)據(jù)通信[J].電子器件，2006(1)：248-250.