基于NRF2401的智能车无线调试系统设计.

视频信号和电机转速信号是智能车竞赛调试中两个比较重 要的数据 , 是 PID 控制的基础 , 在参数调整过程中 , 往往需要通 过采集视频信号和电机转速来进行控制 , 但往常在智能车运动 过程中无法进行信号的实时采集 。 为了解决这个问题 , 本系统在 智能车运动过程中 , 将这两种信号无线发送到 PC 机端 , 使调试 人员能够直观地了解参数调整的效果以及实际路面的状况 , 将 车体速度和路面状况很好地搭配起来进行显示 , 便于参数整定 。 1系统工作原理

本系统包括信号采集处理模块 、 无线收发模块和上位机处 理模块三个部分 。 该系统利用智能车竞赛所用芯片飞思卡尔公 司生产的 16位单片机 MC9S12DG128作为控制中心 , 采用同 步视频信号分离器 LM1881将 CMOS 摄像头采集 到 的 道 路 信 息和光电编码器检测到的脉冲信号送入单片机进行数据处理 , 利用液晶模块进行显示 , 另外由按键控制信号发送的模式和内 容 , 利用射频收发芯片 NRF2401与上位机实现数据的无线收 发 , 上位机则通过 RS232串口与 PC 机进行高速通信 。 系统基 本构成框图如图 1所示 。

图 1系统基本构成框图 1.1MC9S12DG128微控制器简介

MC9S12DG128微 控 制 器 采 用 增 强 型 16位 S12CPU , 片 内总线时钟频率最高可达 25MHz ; 片内资源包括 8KB RAM 、 128KB Flash 、 2KB EEPROM ; SCI 、 SPI 、 PWM 串 行 接 口 模 块 ; 提供 2个 8路 10位精度 A /D 转换器 、 控制器局域网模块 CAN 和增强型捕捉定时器等 , 其性能能够满足本设计的需求 , 该器件 具有良好的稳定性 , 外围电路简单 , 功能强大 。 1.2信号采集模块

对于采用 CMOS 黑白摄像头而言 , 其产生的模拟信号包含 图像信号 、 复 合 消 隐 脉 冲 、 复 合 同 步 脉 冲 , 每 秒 能 产 生 50场 图 像 , 经过 LM1881分离后 , 可得到场同步信号和行同步信号 。 利 用行同步信号作为行中断信号 , 可对该行图像信号进行 A /D 采 样 , 而场同步信号是每场采样的标志 , 分为奇偶场 。 由于行中断 中要采集该行的信号 , 对时间要求很严格 , 其中断优先级应比普 通中断的优先级高 , 因此选择 S12中的 IRQ 作为行同步信号输 入口 , PT0作为场信号输入口 。

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位 移量转换成脉冲或数字量的传感器 , 由光栅盘和光电检测装置 组成 。 光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形 孔 。 由于光电码盘与电动机同轴 , 电动机旋转时 , 光栅盘与电动 机同速旋转 , 经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输 出若干脉冲信号 , 将此信号输入到单片机具有捕捉功能的输入 口 PT7以后 , 通过计算每秒 光 电 编 码 器 输 出 脉 冲 的 个 数 , 再 经 过一定的转换就能反映当前电动机的转速 。

1.3无线收发模块

NRF2401是射频收发芯片 , 工作在 2.4~2.5GHz ISM 频 段 ; 内 置 频 率 合 成 器 、 功 率 放 大 器 、 晶 体 振 荡 器 、 调 制 器 和 标 准 SPI 等功能模块 ; 输出功率和通信频道可通过软件进行配置 , 共 有 125个频道可使用 , 而 且 最 高 速 率 可 达 1Mb /s 。 芯 片 具 有 1.9~3.6V 宽工作电压 , 工作能耗低 。 具有多种低功率工作模 式 , 可同时接收两个不同频道的数据 。

本系统所用为 NRF2401A 模块 , 外围电路简单稳定 。 在本系统中 NRF2401通过 PS 、 PH 口与单片机进行通讯 , S12的 PS6/SCK0与 NRF2401的 CLK1相 连 接 , 而 DATA 与 S12的 PS5/MOSI0和 PS4/MISO0串联电阻后相连接 , NRF2401的 CS 是片选端 , CE 是发送或接收控制端 , PWR_UP是电源控制 端 , 分别由单片机的 PH0、 PH1和 PH2引脚控制 。 NRF2401的 DR1与 PH3连接 , 为高时表明在接收缓冲区有数据 。

1.4上位机处理模块

在本系统中利用 MAX232芯片 , 将接收到的信号通过串口 传输至 PC 机进行处理 。 RS232是美国电子工业协会 EIA 制定

基于 NRF2401的智能车无线调试系统设计

陈建峰 孙志锋 (浙江大学电气工程学院 , 浙江 杭州 310027

Wireless Debugging System of Smart Car Based on NRF2401 摘 要

利用光电编码器 、 MC9S12DG128单片机 、 LM1881和 NRF2401收发芯片设计智能车无线调试系统 。 将光电编码器检 测 到 的 电 机 转 速 脉 冲 信 号 和 同 步 视 频 信 号 分 离 器 LM1881分 离 出 的 视 频 信 号 经 MC9S12DG128单 片 机 处 理 后 , 由 NRF2401模块实现信号远程传输 , 再通过 RS232接口与 PC 机进行高速通信 , 从而实现远程调试参数的功能 。

关键词 :NRF2401, 无线传输 , MC9S12DG128, 光电编码器 , LM1881 Abstract

The wireless debugging system was designed by using photoelectric encoder,MCU (MicroController Unit MC9S12DG128、 LM1881and single chip transceiver

nRF2401.photoelectric encoder is used as a speed sensor,and LM1881 is used as a video sync separator which processes video signals,the data is acquired by microprocessor for processing and long-distance transmitting by nRF2401.This system used RS232interface to the high-speed communication with PC,re-alizing the purpose of Long-range debugging.The distance of transmission indoor is about 50meters,up to 100meters out-doors;this system has a high practicality in debugging of smart car.

Keywords :nRF2401,wirelesscommunicate,MC9S12DG128,photoelectric

encoder,LM1881

基于 NRF2401的智能车无线调试系统设计 54

《 工业控制计算机 》 2009年 22卷第 10期

表 1各种方法对原信号处理所得的 PER 和 RMS (上接第 53页

外的频谱不加区分地过滤掉 。 傅里叶分析不能将信号的高频部 分和噪声引起的高频干扰部分有效的区分 , 所以消噪效果交差 。 用全局阈值小波去噪与分层阈

值小波去噪方法进行消噪 , 效果 比傅里叶效果要好得多 , 已基本消除了信号中的噪声并保留了 信号的大部分信息 。

表 1是不同方法消噪得到的 PER (能量成分 和 RMS (均方 根误差 。 从表中的数据可以看出 , 傅里叶方法的消噪效果要差 一些 。 使用小波变换消噪时 , 降噪结果的能量比虽没有 FFT 滤波 器的结果高 , 但是保留了更高的与原信号的相似程度 , 这一点可 以从均方根误差可以看出 。 全局阈值和分层阈值方法降噪效果 要好于傅里叶方法 。 在这两者之间 , 分层阈值虽然损失了部分的 性能 , 但比全局阈值的降噪结果光滑很多 。 而且最大限度地反映 了原信号本身的性质 。

3结束语

本文将离散小波变换用于动态称重信号的去噪分析 , 根据 信号与噪声的不同性质进行频率选择 , 能较好地消去信号中的 噪声并保留原始信号的信息 , 通过实验可知其消噪效果比较好 ,

且信号的均方根误差得到了降低 , 信噪比有所提高 , 证明了该方 法确实比传统的 FFT 方法优越 。

参考文献

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的一种串行物理接口标准 , 其性能稳定 , 电路设计简单 。 2系统软件设计

在本系统中 , 利用 Code Warrior 4.6for S12进行 C 语言 软件调试 , 其软件流程图如图 2所示 。 图 2软件流程图

对于 NRF2401无线收发芯片来说 , 其可工作于四种模式状 态 :空 闲 模 式 、 配 置 模 式 、 收 发 模 式 和 关 机 模 式 , 具 体 由

PWR_UP、 CE 和 CS 三个引脚来进行控制 , 当对应值为 110时 , 即收发模式 ; 为 101时 , 即配置模式 ; 为 100时 , 即空闲模式 ; 当 PWR_UP为 0时 , 即关机模式 。

在配置模式下 , 可对 NRF2401模块进行自身参数的设定 , 共有 18Byte (144bit 的命令字 , 如表 1所示 。 nRF2401与微处 理器的接口有两种方式 :I /O 直接连接方式和 SPI 连接方式 。 I /O 直接连接方式的优点是其稳定性高 , 但其是模拟 SPI 的串行

移位 , 所以效率较低 。 因此 , 在写配置时 , 为保证配置字的正确 性 , 将 CLK1和 DATA 设为基本的 IO 口功能 , 采取模拟 SPI 时 序向 DATA 一位一位进行配置 。 而当传送数据时则选用 SPI 连 接方式 , 充分发挥 SPI 接口的高效以及 nRF2401高速无线传输 的优势 , 具有较大的数据吞吐量 。

在图像信号采集过程中 , 由于图像信号容量较大 , 为减少无 线传输的信号压力 , 对图像采集主要只采奇场或者偶场中一定 数目的行信号 , 并且行信号的采集隔若干行进行采集 , 这样可使 信号量减少而不失其有效性 。 另外 , 由于通道 1和通道 2的数据 长 度 受 nRF2401A 帧 数 据 总 长 度 限 制 , 帧 数 据 总 长 度 为 256

bit , 则每一帧的数据长度 Data<=256-地址 -CRC , 所以在进行 单片机内部数据处理过程中 , 可设中间阈值 , 使 CMOS 摄像头 检测到黑色时传输 1, 白色时传输 0, 提高信号传输效率和图像

实时性 。 3结束语

本 系 统 将 光 电 编 码 器 检 测 出 的 电 机 转 速 脉 冲 信 号 和

LM1881视 频 信 号 分 离 后 的 图 像 信 号 送 入 MC9S12DG128单 片机中进行脉冲计数和 A /D 转换等处理后 , 利用无线收发芯片 实现 下 位 机 与 上 位 机 的 无 线 通 信 , 并 通 过 MAX232芯 片 实 现 RS232接口 。 系统在室内的传输距离为 50m 左右 , 室外可达 100m 。 该系统可将运动的路面信息和速度信息实时传送至 PC

机进行处理 , 解决了智能车信号调试上无法动态的缺陷 , 提高了 参数调试的效率 , 具有很高的应用价值 。

参考文献

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NRF2401的配置字

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