基于nRF24L01的钢丝绳无损检测系统

摘要：提出一种基于nRF24L01的钢丝绳无损检测系统设计方法，利用该系统对在线钢丝绳进行无损检测，检测结果采用nRF24L01进行无线传输，克服了有线传输的应用弊端，解决了钢丝绳恶劣的工作环境和其无损检测有线传输方式的矛盾，提高了检测精度。可以保证在役钢丝绳的安全可靠，避免钢丝绳更换的盲目性，做到按照钢丝绳的运行状态进行预知维修。并重点讲述了系统的硬件和软件设计，给出了详细的结论。
关键词：nRF24L01；无线传输；无损检测；钢丝绳

    钢丝绳是在各种工程应用中应用极为广泛的一种挠性构件。钢丝绳作为牵引、承载的重要部件，一旦发生断裂，后果将非常严重。因此，对钢丝绳的无损检测和监测，对于消除安全隐患有着至关重要的意义。随着钢丝绳无损检测技术的不断发展，各种新型的现场检测仪器不断推出。但是因为钢丝绳无损检测要求的数据传输速率较高，所以目前在信号的传输方式上大多采用有线传输。考虑到钢丝绳工作环境的多样性和复杂性，有线传输方式越来越难以适应各种复杂的环境，本文提出了一种基于nRF24L01的无线传输方式下的钢丝绳无损检测方法。

1 钢丝绳无损检测系统硬件设计
1．1 系统总体结构图
    钢丝绳无损检测系统由数据采集端和接收处理端组成。数据采集端系统框图如图1所示，主要分为：传感器模块，A／D采集模块，LM3S1 138处理器模块，RF24L01无线模块。其中传感器部分采用华中科技大学机械学院无损检测实验室具有自主知识产权的无损检测传感器，该传感器由2个霍尔元件和1个旋转编码器组成，输出4路模拟信号，1路脉冲信号。经过信号处理模块将4路模拟信号分离出4路交流信号和4路直流信号，分别代表钢丝绳的损坏情况和粗细。在脉冲信号的上升沿到来时对8路模拟信号进行采集，并将A／D转化得到的结果进行数据封装，最后利用SPI接口写入RF24L01模块实现无线传输。

    接收处理端系统框图如图2所示，主要分为：RF24L01无线模块，LM3S1138处理器模块，PC机终端。PC机终端向LM3S1138处理器模块发送开始接收的命令，在LM3S1138处理器模块收到PC机终端的命令后，启动RF24L01无线模块，接收数据采集端发送的数据。在接收到数据后，LM 3S1138处理器模块对数据进行解析，并通过串口或USB将数据传送到PC机，PC机终端收到数据后，对数据进行处理、存储、显示等一系列操作。

1．2 无线收发模块设计
    nRF24L01是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型SehockBurst TM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为-6 dBm时电流消耗为9 mA，接收模式时为12．3 mA。掉电模式和待机模式下电流消耗更低。无线传输速率可以达到2 Mb／s，传输距离可达50 m以上，加上功率放大模块后，传输距离可以达到300 m以上，能够满足对实时性要求较高的近距离无线数据传输场合。
    图3是基于nRF24L01芯片的无线收发模块电路。图中偏置电阻R2用来设置一个精确的偏置电流；C3，C4，L1和L2形成一个平衡转换器，用以将nRF24L01上的差分RF端口转换成单端RF信号；MOSI，MISO，SCK和CSN构成SPI接口，用来对nRF24L01内部寄存器的配置和数据的读写；CE信号用来控制nRF24L01的工作模式，IRQ用来指示nRF24L01的工作状态。为了使芯片能够稳定工作，必须在芯片电源输入端加上小的滤波电容，以得到高质量的电源供电，从而使通信效果达到最佳。

1．3 LM3S1138处理器与nRF24L01接口设计
    nRF24L01通过4线SPI兼容接口(MOSI，MISO，SCK和CSN)配置，这个接口同时用作写和读缓存数据。本系统利用LM3S1138处理器的4个I／O口就可以对SPI接口进行模拟。SPI接口是一种同步串行通信接口，CSN是芯片选择管脚，当该管脚为低电平时，SPI接口可以通信，反之不能通信。MOSI和MISO为数字传输管脚，MOSI用于数据输入，MISO用于数据输出。SCK为同步时钟，在时钟的上升沿或下降沿数字数据被写入或读出。具体SPI模拟接口的读写代码如下：
  
    其中：RF24L01_MOSI_1代表SPI的MOSI输出高电平，RF24L01_MOSI_O代表SPI的MOSI输出低电平，RF24L01_MISO表示SPI的MISO的输出电平值，RF24L01_SCK_1，RF24L01_SCK_0分别代表SPI时钟输出高电平和低电平。

2 系统软件设计
    通过软件的优化设计，能够将整个硬件系统有机联系起来。在近距离范围内不需要复杂的防干扰算法，只要对数据进行简单的封装就可以。
2．1 数据采集端软件设计
    数据采集端负责数据的采集和无线转发，软件设计部分主要包括：LM3S1138的系统和接口配置，nRF24L01无线模块的初始化，A／D转换，数据的无线转发，具体流程图如4所示。

2．2 数据接收处理端软件设计
    数据接收端的任务是按照PC终端的指令执行数据接收和上传的工作，软件设计部分主要包括：LM3S1138系统和接口配置，nRF24L01无线模块的初始化，PC终端命令解析，数据上传，具体流程图如图5所示。

3 结论
    本文所设计的系统能够和有线系统一样实现无漏点的无损检测，同时该系统具有安装简单，可靠性强，能够应用于各种恶劣工作环境下的钢丝绳无损检测，便于以后进行多点系统集成和统一管理的特点，而且大大降低无损检测系统的成本和缩短施工周期。本文也为钢丝绳无损检测系统提出了一种新的传输方式，具有广阔的应用前景。