以nRF2401为基础的光学在线检测系统的设计与实现

　  1 引言　

    加工与检测是光学制造领域里两个部分，光学加工所能达到的极大依赖于检测技术水平的高低。在光学检测、加工中,采用无线射频通信技术,以此改变检测数据与控制数据传统的传输方式和路径,实现光学加工在线检测、在线加工的一体化。

    2 一体化加工系统运行模式及其结构设计

　　要想实现在线检测、在线数据处理的一体化加工系统，不同功能体之间数据自由通信与传输是其根本要求。在车间单元层上，主要由主控计算机、管理计算机等设备组成，它们通过企业内部的以太网实现相互间的通信。对于工作站层，它运行在某个车间内部，主要实现两个功能，一个实现车间内部各设备间的数据通信，另外它还负责车间底层设备与上层主控计算机间的通信，它充当了底层设备的代理。设备层由分布在车间各个不同方位的底层设备 (如检测设备、加工设备) 组成。该系统的逻辑结构功能图如图1所示。

    3 嵌入式控制器及无线模块功能分析

    3.1 工作站及无线收发接口功能分析

　　工作站必须要具有将无线通信数据与以太网数据互相转换的功能。此外，由于车间检测设备不止一台，可能同时有多台设备要求实现数据通信，因此工作站是个多任务工作系统，要具有良好的任务管理机制，以确保数据传输不冲突。对于无线收发模块，由于在车间底层，生产环境恶劣，因而要求其具有较强的抗电磁干扰能力，数据传输稳定、可靠。其通信距离也不能太短，需满足整个车间范围内的通信要求。

    3.2 模块化设计实现工作站及无线收发

　　这里采用模块化方法来实现工作站功能的。将工作站在逻辑上分为两部分：前部实现数据的无线收发，该部与设备层的无线收发模块一致。后部由一个具有资源管理的嵌入式控制器来管理多个数据传送任务。由于底层设备大多具有标准串行接口，无线收发模块主要实现无线射频数据与串行数据的转换与控制。

    4 系统硬件设计与实现

    4.1 无线模块硬件设计

　　这里选择的无线通信芯片是挪威Nordic公司的nRF2401无线芯片。是一款特别适合于工业控制的无线通信芯片，它内置点对多点的无线通信协议，能够很方便地实现任意两个指定设备间的无线通信。通过单片机C51控制可实现与外界设备间串行数据的发送、接收。无线模块的硬件结构图如图3所示。

    4.2 工作站硬件功能设计与实现

　　从3.2可知，工作站由两部分组成：无线收发模块和嵌入式控制器。无线收发模块采用统一结构。至于嵌入式控制器，本文中选择BL2600。BL2600是一款集网络通讯和嵌入式控制于一体的嵌入式单板计算机，具有TCP/IP —— RS-232协议转换功能，同时支持合作式微操作系统及抢占式微操作系统(uC/OS-II)对系统任务、资源的管理与控制，能很好地实现多任务的管理。BL2600与无线收发模块通过串口相连，其结构连接图如图4所示。

   5 系统软件功能实现

　　该在线测控系统软件功能主要含有两部分：BL2600的多任务管理模块和基于nRF2401的无线数据通信模块。

    5.1 BL2600多任务管理模块

　　在系统的实现中，采用BL2600自带的Dynamic C开发环境，使用合作式操作系统完成对工作站的多任务的管理与控制。BL2600与无线收发模块间的串口数据通信可采用基于XON/XOFF的软握手协议和基于RTS/CTS的硬握手协议。多任务管理模块的程序流程图图5所示。

    6 实验验证

　　为检验所设计的系统，本实验分为两步。首先进行模拟实验(防止直接实验对现场设备的破坏)，模拟实验主要用主计算机自身的串口来模拟车间加工、检测设备的串口，实验原理图如图7所示。模拟实验成功后，再进行现场实验，图8为现场实验的一个截图。两实验均表明，该在线检测系统设计合理，运行稳定，数据传输正确、可靠。

    7 结语

　　本文将无线通信引入到光学检测、加工车间，改变了了传统光学检测数据、控制数据的传输方式，实现了一种具有在线检测、在线加工的一体化光学制造系统，为未来光学加工自动化奠定了很好的基础。