2008年6月宇航计测技术June .,2008第28卷 第3期Journal of A str onautic Metr ol ogy and Measure mentVol .28,No .3文章编号:1000-7202(2008)03-0052-05 中图分类号:TP334.2+1文献标识码:A收稿日期:2008-03-02作者简介:朱凯歌(1983— ),男,硕士研究生,主要研究领域:精密测控技术及仪器智能化。
nRF24E1在光笔式坐标测量机中的应用朱凯歌 刘书桂 凌清平 石雪梅(天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072)摘 要 为了发挥光笔式坐标测量机测量速度快、移动灵活、携带方便的特点,利用无线单片机nRF24E1构建无线传输模块,给出了无线传输模块在光笔式坐标测量机中的应用方案,具体介绍了系统的硬件设计、通信协议和软件架构。
通过实验验证,在10m 通信距离内,无线传输系统能够稳定可靠地传输数据。
因此在光笔式坐标测机中可以代替线缆使用。
关键词 光笔式坐标测量机 视觉测量 无线传输 通信协议Appli cati on of nRF 24E 1i n the L i ght -pen C MM sZHU Kai 2ge L IU Shu 2gui L ING Q ing 2p ing SH I Xue 2mei(College of p recisi on instru ment and op t o 2electr onics engineering,Tianjin University,Tianjin 300072)Abstract I n order t o utilize the advantages of the light 2pen C MM s,such as fast measuring,easily moving and conveniently carrying,it is best t o use wireless communicati on .W ireless module e mbed wire 2less MCU 2nRF24E1was designed .The res oluti on of using wireless module in the light 2pen C MM s was given .The hard ware,communicati on p r ot ocol and s oft w are fra me work was intr oduced .By experi m ent,within 10meter,the syste m could steadily and exactly communicate .So the wireless module can rep lace wire in the light 2pen C MM s .Key words L ight 2pen C MM s V isi on measure ment W ireless communicati on Communicati on p r ot ocol1 引 言光笔式坐标测量机作为一种便携式坐标测量机,是一种新兴的视觉坐标测量技术。
它将接触式测量和非接触式测量结合起来,充分发挥接触式测量的测量精度高和非接触式测量的测量系统组建灵活的优点[1]。
目前在光笔式坐标测量机中使用有线方式传输数据,有线传输具有线缆长度有限、系统移动不灵活、系统组建麻烦等固有缺陷。
使用无线传输技术可以克服以上缺点,因此在光笔式坐标测量机中使用无线传输技术成为其发展趋势。
2 系统总体设计采用无线传输技术的双相机光笔式坐标测量机应用示意图如图1所示,在需要传输信息的端点处(光笔端、计算机端、CCD 摄像机端),分别安装射频通信模块,即可将有线传输改为无线传输。
多个射频通信模块组成一个小型无线通信网络,网络中任意两无线传输模块之间均可以相互通信。
图1 双相机光笔式坐标测量机中无线传输模块应用示意图在光笔式坐标测量机中无线传输控制系统具有以下功能:1)光笔端的无线传输模块接受输入信号(开关信号、数字信号、模拟信号),将数据按照协议打包后发射出去;2)光笔端的无线传输模块在发射信息后接收计算机的反馈信息,以确定命令执行结果或者数据是否正确传输,并将处理状态显示给用户;3)计算机在接收到光笔端的触发控制信号后,向摄像机发出触发控制命令,摄像机在接收到触发命令后即采集一次图像,数据可暂存在摄像机内,然后再送到计算机,也可以每采集一次数据就送计算机;4)计算机在接收到模式切换信号后,即切换摄像机工作模式(触发工作方式或扫描工作方式),在扫描工作模式下,摄像机连续采集图像数据信息,并将数据信息暂存后发送到计算机;5)系统具有低功耗设计。
因为无线传输模块应用在便携式坐标测量机中,所以要求无线传输模块能够最大程度地降低功耗,延长电池的使用寿命。
3 系统实现3.1 硬件电路设计无线传输模块硬件系统框图如图2所示,整个系统以nRF24E1为中心,主要分为三个部分:信号的输入输出部分负责接受开关信号、数字信号、模拟信号的输入和通过输出驱动LED;射频收发部分负责数据的无线收发;接口转换部分将单片机的UART 接口转换为US B 接口,实现与计算机的双向通信。
图2 无线传输模块硬件系统框图无线传输模块电路原理图如图3所示,从图中可以看出主要元件包括无线单片机nRF24E1、串行EEPROM 存储器25AA320、US B 2UART 桥接芯片CP2102和16MHz 无源晶振,其它就是一些电阻、・35・ 第3期 nRF24E1在光笔式坐标测量机中的应用电容和电感元件。
电路所需元件很少,保证电路设计简单,工作稳定可靠。
nRF24E1为北欧NORD I C 公司生产的无线单片机[2,3]。
芯片工作于(2.4～2.5)GHz 国际通用I S M 频段,无需申请许可证即可免费使用,方便了用户开发使用;芯片可设置125个工作频点,方便用户采用跳频技术来避免同频干扰;内置CRC 校验功能,保证数据的可靠传输;具有寻址控制功能,能够实现点对多点的无线通信,构建无线传输控制网络;内置9路10位A /D 转换模块,取样速率100Ks p s,用户可以构建数据采集控制系统;工作电压为(1.9～3.6)V ,工作电流小,因此芯片功耗很低,适合用在电池供电的便携式设备中;具有Duo 2Ceiver 技术,使无线传输模块可以使用同一天线同时接收两个不同频道的数据;芯片最大数据传输速率为1Mbp s,能够满足光笔式坐标测量机中大量坐标数据传输的速度需要;最大发射功率为0dBm ,接收灵敏度为-90d Bm ,在较理想环境中,传输距离可达(30～40)m 。
nRF24E1片内仅有4K 的RAM ,需要一块片外EEPROM 来存储用户应用程序。
系统选用M I CRO 2CH I P 公司的25AA320芯片。
该芯片具有4K 存储空间和宽工作电压范围(1.8～5.5)V 。
nRF24E1具有一个UART 口,与计算机通信需要转换为计算机串口。
系统选择US B 2UART 技术,即将计算机US B 口转换为单片机的UART 口。
CP2102[4]是高度集成的US B 2UART 桥接器,无需其它外部US B 元件,最少仅需一个电容就可以工作。
片内电压调节器具有3.3V 电压输出,可作为nRF24E1的电源。
3.2 通信协议设计协议的第一件事就是能够识别噪声和有效数据。
噪声是以随机字节出现的,没有明显的方式。
通过测试和试验发现0xFF 后跟0x00在噪声中不容易发生,传输协议应该在数据包前加上开始字节0xFF 和0x00[5,6]。
那么一个简单的无线通信协议就开发出来了:[0xFF ][0x00][包类型][数据0]...[数据n ]。
图3 无线传输模块电路原理图光笔式坐标测量机中的无线传输系统的数据传输类型分为以下五种情况:1)光笔端发送给计算机端的触发控制信号和模式切换信号,格式为:“##data ＄＄”。
data 为控制・45・宇航计测技术 2008年 命令代码;2)光笔端发送给计算机端的模数转换后的数字信号,格式为:“@@data＄＄”,data为模数转换结果;3)光笔端接收到计算机端的反馈信号,格式为:“33data＄＄”,data为反馈信号;4)计算机端发送给摄像机端的触发控制信号和模式切换信号,格式为:“&&data＄＄”,data为控制命令代码;5)摄像机端发送给计算机端的图像数据信息:“%%data＄＄”,data是三维坐标信息。
数据的前两个字节为数据类型标识符,后两个字节(“＄＄”)是数据结束标识符。
计算机在接收到数据后,通过数据类型标志符就可以判断接收到的数据类型,针对不同的数据类型做出相应的处理。
nRF24E1具有简单的通信协议控制功能。
对其进行相应的配置后,芯片就可以自动按照协议进行无线通信。
射频数据包格式如表1所示。
用户发射数据时,只需要按照要求送地址字节和数据字节,接收端就能够正确地接收数据。
表1 射频数据包格式前导码地址有效数据CRC这里的“有效数据”即是前面所讲的通信协议设计所包括的内容:[0xFF][0x00][包类型][数据0]...[数据n]。
接收端在接收到数据后,自动提取出有效数据,然后按照协议对数据进行解析处理。
3.3 软件设计软件设计是在KE I L u V I SI O N3环境下实现的,程序编写采用KE I L C语言。
软件设计采用模块化思想,将程序按照功能划分为一个个模块[7]。
在无线收发系统中,光笔端为发送端,计算机端为接收端。
发送端程序流程图如图4所示。
接收端程序流程图如图5所示。
系统硬件中设计了两个按键,当按键1按下,表示发射触发控制命令,当按键2按下,表示发射模式切换命令。
在程序空闲时执行按键扫描程序,一旦扫描到有按键按下,即进入相应的键值处理程序。
当A/D转换完成,发出中断,系统响应中断,发送A/D转换后的数据信息。
在系统中,使用LED 表示模块的工作状态和反馈信息状态,如表2。
当模块工作在接收数据状态时绿色LE D亮,当工作在图4 发送端程序流程图图5 接收端程序流程图发送数据状态时,红色LE D亮。
光笔端(发送端)在发送命令后,等待计算机端(接收端)的反馈信号,若命令执行成功,则绿色LE D闪烁,若命令执行・55・ 第3期 nRF24E1在光笔式坐标测量机中的应用不成功,则红色LE D闪烁。
当成功地切换到扫描模式后,绿色LED和红色LED同时闪烁。
表2 指示灯状态与工作状态对应关系表指示灯绿亮红亮绿亮红亮绿闪红闪红闪绿闪模块状态接收状态发送状态复位状态成功失败扫描模式4 结束语nRF24E1以数字量的形式进行无线通信,在正常工作情况下,能够保证系统不会出现传输误差。