基于FPGA和nRF905的挖掘机无线监控数据传输系统

摘要：使用SOPC技术设计了一种基于FPGA和nRF905的挖掘机无线监控数据传输系统，用于对挖掘机进行远程状态监测、实时挖掘动作控制和行走操作控制等。该无线监控数据传输系统工作在433MHz的ISM频段，能够进行双向传输。
关键词：FPGA；SOPC；nRF905；无线通信

液压挖掘机在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作刚。对于某些不适合人类进入的工作场所，如高温、含有辐射物或装卸危险物品的场所下的挖掘任务，以人手动操作为主的传统液压挖掘机已不能胜任，液压挖掘机的远程监控、自动化和智能化成为该类场所挖掘难题的最好解决方案。在液压挖掘机的无线远程监控系统设计中，各种传感器数据和控制数据的无线传输系统的设计对于远程监控功能的实现具有关键作用。

1 系统设计方案
液压挖掘机的无线监控数据传输系统采用上下位机双层控制结构，上下位机之间采用了点对点通讯模式。上位机采用PC机，主要完成远程监控、数据存储处理和运动轨迹规划运算等工作。下位机安装于挖掘机上，采用Inter Control公司的机载电脑。MTC通过CAN总线传输各传感器数据和油缸电磁阀开口大小信号，进行挖掘机状态数据的采集和电磁阀等执行机构的驱动等。各传感器、油缸电磁阀和机载电脑之间通过CAN总线通信。编程工具是工控领域常用的CoDeSvs。采用通讯频段为433MHz、通讯最大距离为500m的无线数传输模块nRF905进行无线数据传输。nRF905有4种工作模式：掉电模式、待机模式、发射模式、接收模式。无线监控数据传输系统采用FPGA作为通信控制模块，使用SOPC技术搭建片上硬件系统。通信控制程序使用C语言编写。FPGA通过GPIO口控制nRF905的三组引脚：TX_EN、TRX_CE和PWR来设置nRF905不同的工作模式；载波俭测输出CD、地址匹配输出AM和数据就绪输出DR用于通知FPGAnRF905的收发状态；SPI接口用于配置、发送和接收数据。系统硬件结构框图如图1所示。

2 SOPC片上系统设计
该单元主要功能是通过建立通信协议和对无线数据传输模块的控制，准确实时地接收、存储来自各个节点的数据，并传送给上位机和MTC。
2．1 SOPC片上系统硬件构成
加入的SOPC组件和模块主要有：NiosⅡ处理器，Avalon三态总线桥；外部SDRAM存储器的控制器核；Flash类型的存储器，用于存放程序和数据；时间计数器核Interval timer；SPI核，用于实现SPI协议并提供Avalon接口；PIO接口用于连接nRF905的SPT接口和发出控制信号，其管脚连接至FPGA的GPIO口。将所组成的系统进行编译后，可以下载到FPGA芯片上构成片上控制系统。系统框图如图2所示。