基于nRF24L01的鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)

摘要：提出一種基于nRF24L01的鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)設計方法，利用該系統(tǒng)對在線鋼絲繩進行無損檢測，檢測結(jié)果采用nRF24L01進行無線傳輸，克服了有線傳輸?shù)膽帽锥?，解決了鋼絲繩惡劣的工作環(huán)境和其無損檢測有線傳輸方式的矛盾，提高了檢測精度?？梢员ＷC在役鋼絲繩的安全可靠，避免鋼絲繩更換的盲目性，做到按照鋼絲繩的運行狀態(tài)進行預知維修。并重點講述了系統(tǒng)的硬件和軟件設計，給出了詳細的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：nRF24L01；無線傳輸；無損檢測；鋼絲繩

    鋼絲繩是在各種工程應用中應用極為廣泛的一種撓性構(gòu)件。鋼絲繩作為牽引、承載的重要部件，一旦發(fā)生斷裂，后果將非常嚴重。因此，對鋼絲繩的無損檢測和監(jiān)測，對于消除安全隱患有著至關(guān)重要的意義。隨著鋼絲繩無損檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型的現(xiàn)場檢測儀器不斷推出。但是因為鋼絲繩無損檢測要求的數(shù)據(jù)傳輸速率較高，所以目前在信號的傳輸方式上大多采用有線傳輸?？紤]到鋼絲繩工作環(huán)境的多樣性和復雜性，有線傳輸方式越來越難以適應各種復雜的環(huán)境，本文提出了一種基于nRF24L01的無線傳輸方式下的鋼絲繩無損檢測方法。

1 鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)硬件設計
1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
    鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和接收處理端組成。數(shù)據(jù)采集端系統(tǒng)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(chǎn)權(quán)的無損檢測傳感器，該傳感器由2個霍爾元件和1個旋轉(zhuǎn)編碼器組成，輸出4路模擬信號，1路脈沖信號。經(jīng)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(zhuǎn)化得到的結(jié)果進行數(shù)據(jù)封裝，最后利用SPI接口寫入RF24L01模塊實現(xiàn)無線傳輸。

    接收處理端系統(tǒng)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(fā)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(shù)據(jù)采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在接收到數(shù)據(jù)后，LM 3S1138處理器模塊對數(shù)據(jù)進行解析，并通過串口或USB將數(shù)據(jù)傳送到PC機，PC機終端收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行處理、存儲、顯示等一系列操作。

1．2 無線收發(fā)模塊設計
    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(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型SehockBurst TM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)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(fā)射模式下發(fā)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(shù)據(jù)傳輸場合。
    圖3是基于nRF24L01芯片的無線收發(fā)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(zhuǎn)換器，用以將nRF24L01上的差分RF端口轉(zhuǎn)換成單端RF信號；MOSI，MISO，SCK和CSN構(gòu)成SPI接口，用來對nRF24L01內(nèi)部寄存器的配置和數(shù)據(jù)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(tài)。為了使芯片能夠穩(wěn)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(zhì)量的電源供電，從而使通信效果達到最佳。

1．3 LM3S1138處理器與nRF24L01接口設計
    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(shù)據(jù)。本系統(tǒng)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(shù)字傳輸管腳，MOSI用于數(shù)據(jù)輸入，MISO用于數(shù)據(jù)輸出。SCK為同步時鐘，在時鐘的上升沿或下降沿數(shù)字數(shù)據(jù)被寫入或讀出。具體SPI模擬接口的讀寫代碼如下：
  
    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。

2 系統(tǒng)軟件設計
    通過軟件的優(yōu)化設計，能夠?qū)⒄麄€硬件系統(tǒng)有機聯(lián)系起來。在近距離范圍內(nèi)不需要復雜的防干擾算法，只要對數(shù)據(jù)進行簡單的封裝就可以。
2．1 數(shù)據(jù)采集端軟件設計
    數(shù)據(jù)采集端負責數(shù)據(jù)的采集和無線轉(zhuǎn)發(fā)，軟件設計部分主要包括：LM3S1138的系統(tǒng)和接口配置，nRF24L01無線模塊的初始化，A／D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的無線轉(zhuǎn)發(fā)，具體流程圖如4所示。

2．2 數(shù)據(jù)接收處理端軟件設計
    數(shù)據(jù)接收端的任務是按照PC終端的指令執(zhí)行數(shù)據(jù)接收和上傳的工作，軟件設計部分主要包括：LM3S1138系統(tǒng)和接口配置，nRF24L01無線模塊的初始化，PC終端命令解析，數(shù)據(jù)上傳，具體流程圖如圖5所示。

3 結(jié)論
    本文所設計的系統(tǒng)能夠和有線系統(tǒng)一樣實現(xiàn)無漏點的無損檢測，同時該系統(tǒng)具有安裝簡單，可靠性強，能夠應用于各種惡劣工作環(huán)境下的鋼絲繩無損檢測，便于以后進行多點系統(tǒng)集成和統(tǒng)一管理的特點，而且大大降低無損檢測系統(tǒng)的成本和縮短施工周期。本文也為鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)提出了一種新的傳輸方式，具有廣闊的應用前景。