基于无线通信的远程称重监控系统设计

摘要：为了实现对远端现场设备的自动监控，将自动称重控制技术和无线通信技术融合，给出了一种基于嵌入式平台和无线通信模块的设计方案。该方案采用C8051F060单片机和无线射频收发芯片CC1101为主要器件组成无线监控系统，该系统由信号采集模块、无线传输模块、上位机监控管理等三部分组成。通过无线通信的方式对远程称量设备进行监测和控制，为无线远程自动称量和管理提供了新的途径。
关键词：嵌入式系统；称重控制器；无线模块；远程称量

0 引言
    在工业生产的计量领域中，电子称量系统是生产中十分重要的计量设备，传统的电子称重控制系统大多采用固定的点到点有线通信，该类设备一般使用RS 485总线进行数据传输，各种仪器仪表通过有线方式连接，这样不仅现场施工麻烦，而且费用很高。随着计算机技术和无线通信技术的发展，基于无线网络传输的计算机控制系统使用越来越多。本文设计了一种无线港口称重远程监控系统，将嵌入式技术、无线测控技术和自动化技术有机结合起来。该系统称量精度高，实时性强，可靠性高、成本低廉，有着广泛的应用前景。

1 无线称重控制系统总体结构
    无线称重控制系统主要由四部分组成，即电子料斗秤体、称重控制器、无线通信模块和监控计算机组成。系统总体结构如图1所示。

    电子料斗秤体主要由储料斗和装有称重传感器的称量料斗两部分组成。称重控制器由前置预处理电路、显示电路和单片机通信电路等组成。无线通信模块的功能主要是进行数据的转发，在称重控制器与中央监控室内的计算机之间建立无线通信连接。监控计算机通过无线通信模块采集各台称重控制器的数据并对称重控制器发送控制命令，同时对采集到的多点数据进行集中管理，实现整个称重控制系统的自动监控功能。

2 系统硬件
2．1 称重控制器结构
    称重控制器主要由C8051F060单片机、数据采集电路、输入输出部分、键盘和显示部分、通信电路五部分组成，如图2所示。

    C8051F060单片机资源丰富、功能完善、功耗低、体积小，是设计称重控制器的理想选择。数据采集电路包括传感器、前置放大和低通滤波电路组成，称重传感器采集的重量信号经过前置放大和滤波电路后，被送到单片机内部的16位逐次逼近型A／D转换器转换。键盘和显示电路主要完成参数的输入和数据的显示。输入输出控制电路包括光电耦合器、放大电路、继电器驱动电路，实现对外围设备的输入输出控制。通信电路是将单片机输出的TTL电平信号经过SP3232E芯片转换成RS 232信号。
2．2 信号预处理电路
    数据采集电路由称重传感器、放大滤波电路及C8051F060内的16位A／D转换器等组成。称重传感器采用电阻应变式传感器，实现将称重载荷信号转换为微弱的电压信号。放大滤波电路采用TI公司的OPA37和OP07组成的差分放大电路，如图3所示。文中采用ADC0单端方式工作，参考电压VREF为2．5 V，则其输入电压范围为0～2．5 V。

2．3 键盘与显示驱动电路
    用于显示和按键接口电路的驱动芯片采用BC7281B，它与C805lF060单片机之间采用2线高速串行接口通信。使用时需要在双向数据传输线DAT上加20 kΩ左右的上拉电阻，串行接口的同步时钟CLK由C8051F060的P2．1引脚控制。图4为显示和键盘驱动电路。

    本文采用BC7281B扩展20(5×4)个矩阵按键，‘行’线连接到BC7281的位驱动DIG0～DIG4，‘列’线连接到第0～7位显示的段驱动移位寄存器的输出，为了防止显示电路对键盘电路的影响，键盘矩阵与显示电路之间必须加入二极管和4．7 kΩ的隔离电阻。本电路采用了6位数码管显示，只需对应接入一片8位的移位寄存器与BC7281的位驱动DIG0～DIG7，移位脉冲由74HC164进行控制。
2．4 无线通信模块接口电路
    称重控制系统采用RF1100-232无线收发模块，该模块内置TI公司最新的高性能CC1101无线通信芯片，433 MHz免费ISM频段免许可证使用，低功耗工作，无障碍传输距离可达200 m以上，可应用于多种场合。

    称重控制器与无线模块之间的通信直接采用TTL电平，通过串口进行数据的读写，图5为无线模块与C8051F060单片机连接示意图。监控计算机与无线通信模块之间通信需要进行电平转换，在此采用了MAX232芯片进行TTL电平与RS 232电平转换，图6为PC机与无线通信模块连接示意图。

3 系统软件设计
3．1 系统数据传输过程
    监控计算机每隔200ms通过串口进行一次称重控制器数据采集。监控计算机通过串口将采集指令传输给无线通信模块的单片机，然后无线通信模块的单片机再将收到的指令通过SPI接口发送给CC1101，CC1101在发送模式下，将传输的有效载荷写入TX FIFO中，并在数据包中将添加可控数据的前导码、同步词汇和CRC奇偶校验码，然后将数据包发送出去；当称重控制器的无线模块接收到有效的数据后，经前导侦测、同步词汇侦测、检测CRC校验码对数据包进行解析送出，无线模块的单片机通过SPI接口从CC1101中读出接收数据，然后再经串行口送给称重控制器，接着称重控制器根据接收到的数据执行采集数据和控制外围设备工作。采集任务完成以后，称重控制器将采集到的数据参数再通过无线通信模块送回到监控计算机，监控计算机根据接收到的数据信息进行数据显示、数据处理以及打印输出等操作。
3．2 称重控制器称重控制程序
    本文采用了二段加料法，即快加料和慢加料，通过快加料缩短加料时间，提高称量效率，用慢加料减小称量误差，提高称量精度。设定系统中当前重量为M0，快加料目标量为M1，目标加料量为M2，慢加料停止的提前量为M3，慢加料目标量为M2-M3。加排料控制子程序如图7所示。

3．3 无线通信模块软件设计
    无线通信模块主要由CC1101接收和发送程序组成，无线通信模块的单片机通过SPI接口对CC1101进行配置。当CSn为低电平时，SPI接口开始工作，准备接受一条指令，CSn由高到低跳变时开始转换指令。无线通信流程如图8所示。

4 系统功能的实现
    本系统的无线模块工作在频段433 MHz，该频段为免费ISM频段免许可证使用(420～440 MHz)；在无障碍物可视的情况下可以达到230 m，在有电机干扰的车间环境下可传输80 m左右；中央计算机监控软件采用MCGS组态软件设计，实现重量数据实时采集和数据集中管理。文中采用了6台称重控制器进行散料称量控制，上位机监控界面如图9所示。

    该系统实现以下功能：
    (1)数据的实时显示：包括当前重量、上次排料重量、累计总重量。
    (2)通信状态显示。
    (3)操作指令：排料、加料。
    (4)历史数据：历史数据查看、数据输出打印。
    (5)用户管理：用户身份验证、用户密码修改。
    (6)系统管理：窗口管理、退出系统。

5 结语
    本文采用C8051F060单片机作为称重控制器的处理芯片，用CC1101 RF收发芯片组成无线收发通信模块，上位机采用MCGS组态软件，实现了港口散料的自动称量与管理。该系统可以通过无线通信的方式对远程称量设备的数据进行采集和控制，为港口散状物料(如谷物、煤粉)的自动称量和管理提供了新的途径。