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1、-数控机床无线手轮设计研究报告 作品内容简介随着无线通信技术的不断发展和成熟，越来越多的无线产品出现在我们的日常生活中，使得人们摆脱了有线的束缚，使用起来更加方便。在工业控制上,有线手轮控制器由于受到连接线的影响，难以实现较远距离操作。而且有线手轮常常因为线路老化或断裂等而产生接触不良的问题，会使连接不可靠。本文采用2.4G无线射频技术，将现有的有线手轮控制器改装成了一种新型无线手轮。通过使用无线技术,摆脱了机床的连接线, 解决了连接线老化或断裂的问题,提高了手轮的使用寿命。摆脱了有线连接的束缚，让使用者可以移动自由,操作方便，能够提高工作效率。该无线手轮由手持发送端和机床接收端两部分组成，手
2、持设备和接收设备之间采用2.4G无线传输方式进行信息传输。发送端使用单片机将手轮产生的差分脉冲信号和其它控制信号进行采集，然后按一定的格式进行数据编码，打包成数据包。然后通过2.4G无线射频模块发送到接收端。接收端将接收到的数据还原成相应的控制信号，对数控机床进行控制。关键词：数控机床；手轮；无线射频；nRF24L01.-目 录1研制背景及意义32整体设计方案43硬件电路设计53.1 控制器部分53.2 电压转换部分53.3 信号采集部分63.4 信号传输部分73.5 信号还原部分83.6 状态提示部分94程序设计104.1 手持发送端程序设计104.2 机床接收端程序设计105设计中的关键问
3、题分析116系统实物图及性能测试127创新点及应用12参考文献131研制背景及意义我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，初步建立传感网络系统研究平台。近几年来国家发改委、科技部、信息产业部等均启动了在无线传感器网络及自组织网络领域的研发项目。国家中长期科学和技术发展规
4、划纲要(2006-2020年)将“传感器网络及智能信息处理”作为未来信息产业及现代服务业的重点方向”。由于受到了学术界及产业界的普遍关注，无线传感器网络技术正以前所未有的速度发展1。各种无线技术的发展并与孤立传感网之结合应用,将是物联网发展最为关键的推动力,也是最为重要的组成部分。2009年无线技术世界暨物联网国际高峰会议正是着眼于此：立足中国，面向全球，以“无线技术推动物联网发展”为主题。现场则以分版块、多种形式，全面探讨无线电通信，特别是中短距离的无线通信技术的发展。伴随着以WLAN、蓝牙、UWB、ZigBee、RFID这些短距离无线技术正日益走向成熟，应用步伐不断加快，各种无线通信技术在
5、自动化控制和家庭信息化领域扮演越来越重要的角色，发挥越来越重要的作用。我国近期也通过一系列措施支持和鼓励中短距离无线通信、与无线传感技术相关技术的研发和产业化。2.4G无线技术，其频段处于2.405GHz-2.485GHz之间,所以简称为2.4G无线技术。2.4GHz是工作在ISM频段的一个频段。ISM频段是工业、科学和医用频段。一般来说世界各国均保留了一些无线频段,以用于工业、科学研究和微波医疗方面的应用。应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。2.4GHz传输速率可媲美蓝牙，功耗却大大降低。采用完全开放式的网络协议2。无线通信技术在
6、现在的日常生活中已经十分常见，如无线键盘、鼠标等。在工业控制领域，现阶段更多的还是使用有线设备，为了给用户带来更多方便并提高工作效率，我们也可以使用无线技术来改进产品。一些比较大型的公司，特别是国外公司已经将无线通信技术应用到了工业控制中。在国内，由于起步比较低，再加上国外技术的封锁，因此在这方面做得来不够，急需运用无线通信技术制造更多的实用性工业控制器件。由于无线通信的方便，加上无线通信技术日趋成熟和制造成本的降低，无线通信技术必将应用到各个领域。因此，将无线通信技术应用到工业控制上是很有必要的。手轮，即手摇脉冲发生器。在数控系统中，刀具微动、工件对刀、工作台的随动、机床原点的修正等这些功能
7、通常是通过手轮操作来实现的3。手轮主要由光电编码器、坐标轴选择开关和增量倍率选择开关组成，用于手摇方式控制数控机床相应坐标轴的移动。但传统的有线手轮的连接线的接头处容易断裂，使用时间长了容易出现连接不可靠的问题，同时因为受到连接线的影响，用户无法围绕机床自由移动。如今无线通信技术越来越成熟，无线产品也越来越多，由此可见，可以基于无线技术研发一种新型无线手轮来改善现有手轮的性能。本次设计了一种基于工业级内置硬件链路层协议的低成本无线芯片nRF24L01的无线手轮。手轮使用无线传输后，杜绝了连线断裂的问题，能提高手轮的使用寿命。摆脱有线连接的束缚，使用者可以移动自由，操作方便，能提高工作效率。2整
8、体设计方案本次设计的数控机床无线手轮，它由手持发射端和机床接收端两部分构成，工作原理如图1所示。发射端由单片机控制器Atmega16采集手轮产生的差分信号和按键控制信号，经过编码、数据打包后通过nRF24L01芯片采用无线方式发送出去。接收端则由单片机控制nRF24L01芯片接收由手持发送端发过来的信号。经过解码后还原成差分脉冲信号和按键控制信号并输出用于控制机床移动。图1 原理框图3硬件电路设计3.1 控制器部分手持发送端和机床接收端都采用Atmel公司的Atmega16单片机为主控芯片。Atmega16单片机采用Harvard结构，具有高速、低功耗、可直接驱动LED、SSR、或继电器等特点
9、4，具有很高的性价比，故选用该单片机。控制器部分主要包括主控芯片Atmega16和它的复位电路和时钟产生电路。电路原理图如图2所示。图2 控制器部分电路图3.2 电压转换部分手持端采用9V电池供电，而无线收发模块的工作电压为3.3V，其它各芯片的工作电压为5V，因此需要进行电压转换。系统中采用AMS1117-5和AMS1117-3.3两种稳压芯片分别得到5V电源和3.3V电源。电路原理图如下：图3 电压转换电路3.3 信号采集部分发送端需要采集的信号有4路差分脉冲信号和按键控制信号。图4为按键控制电路。当手轮上的光电编码器转动时，将会产生4路脉冲信号（A+,A-,B+,B-）,其中A+和A-、
10、B+和B-分别是极性相反两路信号。在手持端，使用四重差分线接收器AM26C32将这四路脉冲信号转变成两路差分脉冲信号（A，B），从而方便MCU对信号进行处理。该部分电路图如图5所示。脉冲A和脉冲B不仅能反映光电编码器转动的格数，同时还能反映光电编码器转动的方向。当光电编码器正转时，A相超前B相 90，反转时，B相超前A相 905。图4 矩阵按键电路图5 差分信号变换电路3.4 信号传输部分无线收发部分的核心芯片采用nRF24L01芯片。nRF24L01是一款工作在2.4 2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。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。具有极低的电流
11、消耗。该芯片支持多点间通信，最高传输速率达2Mbit/s。该器件采用GFSK调制，128个频点可供选择，片内自己生成报头和CRC校验码，具有出错自动重发功能6。这些特性使得由nRF24L01构建的无线设备具有成本低、速率高、传输可靠等优点。由于nRF24L01工作在2.4G这个国际规定的免费频段，不需要向国际相关组织缴纳任何费用，这就为2.4G技术可发展性提供了有利条件7。它采用SOC方法设计只需要少量的外围元件便可组成射频收发。nRF24L01及外围电路原理图如图6所示。图6 nRF24L01及其外围电路3.5 信号还原部分机床接收端收到由手持端发送过来的信号后，需要将其还原成相应的控制信号
12、。接收到的两路差分脉冲信号只需要经过差分信号输出器 AM26C31便可还原成4路脉冲信号。差分脉冲信号还原电路如图7所示。而坐标轴选择信号和增量倍率选择信号的逻辑高电平为24V，因此需要将控制信号的电平进行转换，本次设计中通过光耦来实现。为了增强驱动能力，将控制信号经过大功率达林顿管ULN2804后再输出。该部分电路原理图如图8所示。图7 差分脉冲信号还原电路图8 控制信号电平转换电路3.6 状态提示部分每当有按键按下时，都会发出按键音，并且相应的指示灯也会点亮。该部分的实现电路如图9和图10所示。图9 LED灯电路图10 蜂鸣器电路4程序设计4.1 手持发送端程序设计发送端控制器完成初始化后
13、，把nRF24L01配置成发送工作模式。然后不断检测按键是否按下，若有按键按下，则执行相应的操作。同时启动定时器，每隔一段时间读取一次差分信号状态并向机床接收端发送一次数据，将手持端的状态发送给接收端。发送端软件流程图如图11所示。图11 手持发送端软件流程图nRF24L01的数据传输模式有ShockBurst和Enhanced ShockBurst两种数据包。后者比前者多了一个确认数据传输的信号，保证数据传输的可靠性。设计中按后一种模式初始化。4.2 机床接收端程序设计机床接收端软件流程图如图12所示。接收端控制器把nRF24L01配置成接收工作模式。接收到数据包后，由硬件解析地址数据和信息
14、数据，当接收到有效信息数据后，在IRQ引脚产生中断通知处理器读取数据8。控制器在中断信号的触发下，从nRF24l01芯片中将数据读出，然后将控制信号还原并输出。图12 机床接收端软件流程图5设计中的关键问题分析（1）采样速率本系统需要实时对差分脉冲信号和按键控制信号进行采样，由于人按键的速度与差分脉冲信号的变化时间相比要长得多，因此在考虑采样速率时，应由差分脉冲信号的采样速率决定。假设在操作手轮时，每秒钟能转5圈。由于手轮每转一圈能产生100个脉冲，且每个脉冲有4种状态，故系统对一个脉冲至少要采样4次。由此可以算出最小采样速率。由于实际操作中通常转动手轮的速度无法达到5圈/秒，所以采用2000
15、Hz的采样速率已经足够，即采样周期为500微秒。（2）连动模式的实现使用连动模式时，系统自动发送脉冲，频率从0Hz一直上升到1kHz然后保持这个速率。在设计中，若每一个脉冲仍然用4次才能传输完成，则传输时间只有0.25ms。在这么短的时间内，无线模块的收发速度跟不上，因此会出现丢包的现象。由于在连动模式下,只要连动按钮未松开，就一直发送脉冲。在这种方式下，人是无法精确的控制发送脉冲数的。因些我们将方案改进，每一个脉冲只传输1次,接收端自动还原成4个状态，这样便能解决发送速率跟不上的问题。（3）无线传输距离手轮的最大工作距离主要取决于对天线的选择。经测试，使用PCB板载天线，空旷直线传输距离在15米左右，而在有障碍物的环境下，其传输距离也可达5-10米。如果使用功放和外置天线，传输距离可达几百米。在实际应用中，通常不会在离机床过远的地方进行操作，使用PCB板载天线已经能够满足需求。6系统实物图及性能测试系统实物图如下：图13 数控机床无线手轮实物图经测试，得出该无线手轮的一些参数如下：（1）手持端采用DC7-15V的电池供电（建议9V），接收端采用DC5V和DC24V供电。（2）系统工作电流为228mA，进入低功耗模式后为50mA。（3）具备1, 10,
