基于nRF24L01+的智能車無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者：趙耕云
單位：蘭州工業(yè)學(xué)院
研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、汽車電控技術(shù)

前言
飛思卡爾尋跡智能車是嵌入式設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的對(duì)象。在智能車制作調(diào)試過(guò)程中廣泛采用串口線配合上位機(jī)軟件作為調(diào)試工具，這種有線調(diào)試工具在車模運(yùn)行時(shí)使用極不方便。本文以第十一屆恩智浦大賽電軌型智能車為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于nRF24L01+的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在智能車運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)無(wú)線通信的方式使上位機(jī)接收到車速、方向等智能車運(yùn)行參數(shù)，解決了采用有線串口方式調(diào)試智能車的諸多不便，同時(shí)，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)智能車的遙控功能，實(shí)現(xiàn)遙控尋跡雙工作模式，增加了智能車的趣味性。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
智能車以MC9S12XS128為主控制器，通過(guò)檢測(cè)鋁膜導(dǎo)引線的位置，由主控制器運(yùn)算后控制舵機(jī)方向和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)車模沿導(dǎo)引線路徑自動(dòng)尋跡。MC9S12XS128與STC89C52之間通過(guò)串行口通信，STC89C52將接收到的智能車運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)通過(guò)nRF24L01+發(fā)送出去，同時(shí)，STC89C52也可將nRF24L01+接收到的來(lái)自上位機(jī)的控制信息通過(guò)串口發(fā)送給XS128。在PC機(jī)端，上位機(jī)采用LabVIEW編寫控制程序，通過(guò)nRF24L01+模塊和USB轉(zhuǎn)nRF24L01+模塊，實(shí)現(xiàn)智能車運(yùn)行數(shù)據(jù)的接收和控制信息的發(fā)送。圖1為系統(tǒng)示意圖。



2硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 車載端電路設(shè)計(jì)
nRF24L01+是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，是一款真正的GFSK單片式收發(fā)芯片，內(nèi)部集成通信協(xié)議，具有自動(dòng)應(yīng)答、自動(dòng)重發(fā)功能。由于nRF24L01+集成了所有高速鏈路層操作，所以無(wú)需單片機(jī)硬件上一定有SPI口與其相連，51單片機(jī)通用I/O口模擬SPI接口即可。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車的無(wú)線遙控和自動(dòng)尋跡時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的采集，采用STC89C52單片機(jī)和nRF24L01+模塊設(shè)計(jì)無(wú)線收發(fā)控制模塊。電路如圖2所示，其中nRF24L01+的中斷信號(hào)引腳接單片機(jī)外部中斷0輸入引腳P3.2，數(shù)碼管用于顯示nRF24L01+的當(dāng)前工作模式，方便觀察調(diào)試。STC89C52單片機(jī)與智能車主控制器XS128之間通過(guò)串行口進(jìn)行通信。



2.2 PC端電路
PC端采用USB轉(zhuǎn)nRF24L01+模塊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PC端nRF24L01+之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，模塊如圖3所示。通過(guò)串口調(diào)試助手發(fā)送AT命令進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置波特率9600，通訊頻率2.400GHz，16位CRC校驗(yàn)，發(fā)送功率0dBm，空中傳輸速率2Mbps。



3軟件設(shè)計(jì)
3.1 XS128程序設(shè)計(jì)
智能車主控制器采用飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)，當(dāng)智能車處于自動(dòng)尋跡模式時(shí)，XS128單片機(jī)主要進(jìn)行路徑信息采集、車速和行駛方向控制，同時(shí)將智能車車速和舵機(jī)方向數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給STC89C52單片機(jī)。當(dāng)智能車處于遙控模式時(shí)，XS128接收由STC89C52通過(guò)串行口發(fā)送來(lái)的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)也將車速和方向數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給STC89C52。經(jīng)過(guò)分析可知，智能車加入遙控模式代碼后，對(duì)原自動(dòng)尋跡程序并無(wú)很大修改，僅通過(guò)條件判斷，控制CPU運(yùn)行選定的其中一種工作模式的代碼即可。主程序流程如圖4所示：



3.2 STC89C52單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)具有兩種功能：一是在車模自動(dòng)尋線模式下，將車模行駛過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)無(wú)線發(fā)送到上位機(jī)；二是在遙控模式下，對(duì)車模進(jìn)行短距無(wú)線控制。車載端控制器STC89C52作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，需要控制nRF24L01+實(shí)時(shí)發(fā)送智能車運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，又需要不斷接收來(lái)自上位機(jī)的控制信息，故采用STC89C52控制nRF24L01+模塊，使其工作于半雙工模式。nRF24L01+初始化為發(fā)送模式，當(dāng)發(fā)送完一包數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生發(fā)送完成中斷請(qǐng)求，在中斷服務(wù)程序中將nRF24L01+切換為接收模式，主程序延時(shí)，等待接收中斷信號(hào)產(chǎn)生。在此期間，若nRF24L01+接收到數(shù)據(jù)，則讀取數(shù)據(jù)，并將nRF24L01+切換回發(fā)送模式，若在主程序延時(shí)時(shí)間內(nèi)nRF24L01+沒有接收到數(shù)據(jù)，則在主程序中將nRF24L01+再切換為發(fā)送模式。半雙工工作模式使nRF24L01+收發(fā)數(shù)據(jù)能夠分時(shí)進(jìn)行，互不影響。車載端nRF24L01+初始化設(shè)置與PC端的nRF24L01+初始化設(shè)置相同。STC89C52主程序流程如圖5所示：



外部中斷0中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。



4上位機(jī)設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件采用LabVIEW編寫。設(shè)計(jì)的智能車無(wú)線監(jiān)控軟件前面板如圖7所示。前面板可以顯示當(dāng)前智能車的車速和方向數(shù)據(jù)。當(dāng)車模處于遙控模式時(shí)，采用A、D、S、W、X等按鍵控制智能車的運(yùn)行，并顯示當(dāng)前車模的狀態(tài)信息。“VISA資源名稱”控件用于選擇PC端nRF24L01+所在的串行口。



軟件的程序框圖如圖8所示:



5結(jié) 論
本文以STC89C52和nRF24L01+無(wú)線數(shù)傳芯片為核心，采用LabVIEW編寫上位機(jī)軟件，為飛思卡爾電軌型智能車設(shè)計(jì)了一套無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取智能車運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)，方便調(diào)試，同時(shí)，通過(guò)對(duì)智能車主控制器XS128程序的少量修改，可以進(jìn)行短距無(wú)線控制，實(shí)現(xiàn)電軌型智能車自動(dòng)尋跡和遙控雙工作模式。通過(guò)試驗(yàn)，該系統(tǒng)在30m范圍內(nèi)工作可靠，穩(wěn)定性較好，滿足智能車的調(diào)試需求。系統(tǒng)對(duì)原電軌型智能車的軟硬件改變都很小，加裝方便，具有實(shí)用性。