2025年04月04日 12:07:35 来源：广州市凯士称重设备工程有限公司 >> 进入该公司展台 阅读量：3
| 基于射频技术的无线称重电动叉车的设计 | 2020-01-14 |
| 摘要：为了满足仓库超载检测叉车以及吊秤等对无线称重的要求，开发了一种基于射频技术的无线数传模块。此模块用来实现称重模块与称重显示器之间的无线数据传输,并利用该方法设计了一种无线称重叉车。介绍了无线称重电动叉车的原理和结构，并重点阐述了以CC1020射频芯片和PIC单片机为核心的无线数传模块的硬软件设计。实践证明,该电动叉车具有称重精确、成本低廉、运行稳定、可靠性高等优点。 关键词：无线称重电动叉车射频CC1020芯片无线数据传输 引言 称重平衡叉车一般由压力称重模块和称重显示器组成,在冶金、仓储、饲料加工以及仓库超载检测等众多领域有着广泛的应用。传统称重电动叉车的称重模块和称重显示器之间大多釆用RS-232、RS-485等有线连接的数据通信方式。随着科技的发展，在某些特殊工作场合有线的连接方式已经不能满足特定的要求:如仓库汽车运输超限检测电动叉车和高速仓库计重收费电动叉车中称重模块与称重显示器之间的线路铺设成本较高且不便铺设。对于吊杆防爆电子秤等某些运动构件上称重模块位置不固定的场合，通过电缆来传输数据变得不可靠甚至不可能。针对这些情况，本文给出了一种基于射频技术无线传输数据的称重电动叉车，有效地解决了上述问题。 1无线称重电动叉车的原理与实现 1.1无线称重电动叉车的原理 传统称重平衡叉车中压力称重模块工作在称重现场，称重显示器则放置在控制台（室）。称重模块一般通过RS-232或RS-485串口与称重显示器进行数据传输。当称重模块与称重显示器之间铺设电缆成本较高或者不便铺设时，利用无线方式来传输数据则成为了一种很好的选择。 无线数据传输方式可分为近距离与远距离无线数传两种；对称重电动叉车而言，称重现场与控制台（室）一般在可视距离内，采用近距离无线数传方式即能满足要求。而两种主要的近距离无线数传方式之一的红外无线通信方式由于传输距离过短、传输时位置必须固定以及易受干扰等缺点也无法应用到称重电动叉车上，因此工作在ISM（industrialscientificandmedical）频段的射频通信方式则成为了构建无线称重电动叉车的。 射频通信方式主要有蓝牙（bluetooth）技术、HomeRF、IEE802.11标准、ZigBee技术等，其中蓝牙、IEE802.11以及HomeRF成本较高，ZigBee传输距离较近,均不太适合本无线称重电动叉车的数据传输。针对这些情况，本文采用了美国Chipcon公司的SmartRF短距离无线数传解决方案，自行开发了一个低成本的无线数传模块，在此基础上完成了无线称重电动叉车的设计。 1.2无线称重电动叉车的结构与功能 无线称重机动叉车由数据采集终端、无线数传模块、称重显示器、打印机、上位机以及大屏幕称重显示器等组成,其结构如图1所示。 当要称重的物体经过称重板时，称重模块（一般为压力称重模块）将压力信号转换成模拟电信号，再经运放电路放大后传送到A/D转换器的模拟输入端进行采样，得到数字化的采样值。采样值经无线数传模块传送至称重显示器,称重显示器将其处理后作为动态称重信息显示出来。同时可以将称重信息存储并打印，也可将相关信息通过串口发送到上位PC机⑴。 本电动叉车的组成与功能如下： ①数据采集终端。数据采集终端由称重模块、信号放大与偏置电路、A/D转换电路、微称重仪表等组成。它将压力信号转换成模拟电信号，经放大和A/D转换得到数字化的采样值，然后把采样值数字滤波后通过RS-232传送给无线数传模块。 ②无线数传模块。无线数传模块由无线收发芯片和微称重仪表组成。它完成数据,采集终端与称重显示器之间的无线数据传输。 ③称重显示器。称重显示器包括微称重仪表、数码管显示屏、键盘、EEPROM、实时钟芯片等，可外接针式打印机、数码管大屏幕、PC机等。它将数据采集终端无线传输过来的A/D采样值经处理后显示到数码管显示屏上，同时可存储并打印称重信息以及车号、货号、日期、时间等信息。 2无线数传模块的硬件与软件设计 无线称重电动叉车的重点在无线数传模块的设计与实现，它是实现称重电动叉车由有线到无线的关键所在。 2.1无线数传模块的硬件设计 机动叉车无线数传模块由无线收发芯片和微称重仪表组成。本电动叉车中的无线数传模块采用CC1020为收发芯片，PIC16F73单片机为微称重仪表。 CC1020是Chipcon公司推出的基于SmartRF技术的全集成无线收发芯片。它工作在402~470MHz、804~940MHz等ISM（industrialscientificandmedical）与SRD（shortrangedevice）频段,采用频移键控（FSK）调制，集成锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、调制解调器（DE-M0D）等功能，具有低电压、低功耗、高灵敏度、传输距离远、尺寸小等优点，与很少的一些外围器件搭配就可以设计成强大的具有无线通信功能的嵌入式电动叉车。 PIC16F73是Microchip公司开发推出的低功耗、高性能的8位单片机，采用双总线结构（指令总线和数据总线分离）和精简指令结构，具有8kb的Flash、192字节的片内RAM、串口和SPI接口，很好地满足了本模块对微称重仪表的要求。 CC1020有32个引脚，它通过PDI、PDO、PCLK和PSEL这四个引脚与PIC16F73单片机的I/O端口相连,CC1020的应用原理如图2所示。 在对无线数传模块进行印刷电路板（PCB）的设计时，需要注意以下几个问题： ①虽然CC1020外围器件少、集成度高,并集成了基带处理,设计比较方便，但由于高频电路的特性,加上CC1020的混和电路信号设计，因此PCB的设计直接关系到射频性能。为了获得较好的射频性能,PCB设计至少需要两层板来实现,PCB分成射频电路和控制电路两部分布线。 ②为了减少分布参数对性能的影响，在PCB中应该避免长的走线，所有元器件的地线、AV皿连接线、VDD去耦电容必须离CC1020尽可能的近。CC1020的电源必须经过很好的滤波，并且与数字电路的供电分离，在离电源脚AV皿尽可能近的地方用高性能的电容去耦,是一个小电容与大电容并联。 ③PCB板的顶层与底层敷铜着地，把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连。所有的开关信号与控制信号都不能经过RFJN和RF_0UT的电感附近⑵。 2.2无线数传模块的软件实现 本无线数传模块的软件釆用了专门为PIC单片机设计的C语言CC5X,该语言与ANSIC兼容,并针对PIC单片机进行了优化,能够为PIC单片机产生优质高效的代码。由于PIC16F73单片机要实现与用户以及CC1020的通信和数据打包，因此该软件借用了Windows电动叉车的消息循环机制设计，釆用消息循环的体系结构。这种结构使得程序清晰、可扩展性强、可移植性好。图3为软件的程序结构及主循环流程图。 和变量初始化完成主循环程序査询电动叉车消息。电动叉车消息一般是单片机外部或者内部事件通过单片机中断电动叉车激励单片机进行的。为了使电动叉车产生相应消息,必须启动单片机的中断电动叉车，因而在进入主循环前启动单片机定时中断、串行通信中断、外部触发中断。程序初始化部分在单片机上电或复位后只执行一次，单片机在正常工作时始终都在主循环中反复检测消息是否存在，并根据消息的不同种类而做出不同的操作，最后清除相应的消息标志，再进行循环检测信息⑶。 在设计软件时，需要注意各状态转换的时延。无线数传模块在发送数据前需要将电路置于发射状态；接收模式转换成发射模式的转换时间至少为0.5ms；可以发送任意长度的数据;发射模式转换成接收模式的转换时间至少为3ms。 3无线称重电动叉车的性能测试 3.1无线称重电动叉车的称重精确率 对一个称重电动叉车来说，能够精确的称重是其最重要的功能。本电动叉车在设计时从硬件与软件两个方面来提高A/D釆样的精确度。 在硬件上首先采用了CirrusLogic公司的24位A/D转换芯片CS5532,能够将输入的模拟电压精度地转换成数字量。经测试发现其转换后的采样有效值可达到16位;其次在数据采集终端电路设计时做到了模拟地与数字地分开，增加了电动叉车的抗干扰性。软件方面则采用了数字形态滤波，有效地滤去了干扰值。经测试本电动叉车的精确度为3.3%。，已经达到了三级表的要求。 3.2无线称重电动叉车的通信可靠率 本电动叉车的通信可靠率主要是由无线数传模块的通信可靠率决定的。困扰无线通信的主要问题是无线通信易受干扰以及数据传输误码率较高。针对这些问题，本无线数传模块分别从以下几个方面进行了改进：①在物理层,CC1020采用了差分曼彻斯特编码的方式传输数据，从而保证了通信中的同步问题。②同时基于FSK的调试方式和采用高效前向纠错信道编码技术，大大提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力;③在数据链路层,使用了CRC循环冗入编码进行了数据帧校验，用以保证数据到达用户应用层后的可靠性;④在应用层,单片机软件采取了对要发送的数据进行封装和增加校验码等方式来提高通信的可靠率⑷。经测试，在传输速率为9600kbps、通信距离为800m（视距）、信道误码率为IO：无线数传模块的实际通信误码率为10"~IO'。 3.3无线称重电动叉车的通信距离 电池叉车无线通信中,通信距离与发射端的发送功率以及接收端的接收灵敏度有着直接关系，同时也受到天线类型、收发天线的架设高度以及传播路径、地形地貌等因素的制约，会随着使用环境而变化。本无线数传模块的发送功率为10mW,接收灵敏度为-110dBm。在通信速率为9600kbps、通信二进制误码率为10刁、天线高于地面3m的可视情况下，无线数传模块的可靠通信距离可达800m,较好地满足了无线称重电动叉车对无线数据传输距离的要求。如果对通信距离有更高要求时，可适当增加发射功率,以增加传输距离。 一种直流PWM控制电池叉车的设计，等在电路上隔离，同时提高电动叉车的可靠性。H型驱动电路通过DSP的PWM输岀引脚PWM1~PWM4输岀的控制信号进行控制。用霍尔电流称重模块检测电流变化,并通过ADCIN00引脚输入给DSP,经A/D转换产生电流反馈信号⑷。速度信号由光电编码器获得，光盘编码器检测的电机转速信号，经QEP引脚反馈给DSP,形成闭环，并与期望值比较产生偏差，经过相应算法处理的结果，送出调节量，控制电动机的速度，以满足所给出的期望性能指标。 自动配料系统采用优化算法，提高了电动叉车的精度和实时处理速度; 电池叉车频带宽、快速响应性能好、动态抗干扰能力强;转矩脉动小、稳速精度高、调速范围大°"〕。具有良好的动、静态响应,且对外界干扰具有良好的鲁棒性。同时该蓄电池叉车功耗小、效率大，能避免模拟信号的畸变失真、便于自诊断、容错等，因此基于TMS320-LF2407A控制的PWM直流伺服电动叉车具有高性能和低成本的特点⑺。 3结束语 对所设计的电动叉车进行测试,得到图3所示的曲线。其中图3a为电动叉车在参考输入yr=12000r/min下的转速动态输出曲线;图3b为蓄电池叉车在电源电压波动情况下而产生扰动的动态调节曲线。由图3a可见，电动叉车动态响应较快,上升时间小于0.3s,进入稳态也不足0.5s,且电动叉车只有略微超调。从图3b可知，电动叉车对扰动的调节也较快，当电动叉车受到一定扰动时,能较快地调节到稳态曲线上来，具有很强的抗干扰性能。研究表明，TI公司C24x系列的TMS320LF2407ADSP是一种适合电机数字伺服控制的处理器,能够胜任复杂的电机和电力电动叉车的控制任务，并能实现复杂的智能控制算法;运 4结束语 本文针对传统有线称重电动叉车的不足，提出了一个基于射频技术的无线称重电动叉车,并给了无线称重电动叉车中关键的无线数传模块的硬件设计与软件实现。实践表明，本无线称重电动叉车称重精确、灵敏度高、工作稳定,用该芯片设计电动叉车,采用优化算法，并选择精确的时钟精度,能很好地提高伺服电动叉车的计算精度和运行速度,得到了较理想的实时动静态响应。该电动叉车可广泛应用于具有较高要求的场合，以及一些智能的仪器仪表中。 能可靠地应用在有线称重智能叉车不能满足要求的场合，有效地解决了有线称重智能叉车连线繁多、移动性差的缺点,具有通信可靠、便于移动、成本低等优点;另外本无线数传模块具有很好的适应性,稍加改造也应用于其它需要近距离无线数据传输的场合。 | |
