车辆搬运器无线通信设计

张 平

（甘肃泓盛达科技有限责任公司，甘肃 平凉 744000）

0 引 言

车辆搬运器可以完成车辆在车库转换层、停车位等相互间的搬运任务，车库控制器与搬运器之间的通信多采用有线方式，但由于车辆搬运器的频繁移动，在立体车库使用一段时间以后，通信电缆易出现断裂而造成无法正常传输信号，无形中增加了故障点。通信系统是立体车库的控制中枢，直接影响着立体车库的运行稳定性，采用无线通信取代有线通信是车辆搬运器控制的发展方向[1]。Profibus-DP可以提供开放式的现场总线解决方案，可以用于车辆搬运器通信。该通信协议具有精简的结构，可以实现高速的数据传输。物理层采用RS-485硬件标准，链路层用于访问控制和为上层提供数据缓存、存取点管理，可以满足车辆搬运器的无线通信要求。

1 车辆搬运器无线通信设计

1.1 近距无线通信技术对比

所谓近距离通信就是指功率不超过10 mW且距离在几百米的近场通信技术，采用该通信技术不需要投入太多的资金，也不会产生太大的功耗，可以实现对等通信。当前主要的近距离无线通信技术有蓝牙、ZigBee、射频以及WiFi等，其中蓝牙、射频以及WiFi的应用比较广泛。蓝牙无线通信的距离低于10 m，通信速率不超过1 Mb/s，通信频率在2.4 GHz，不需要进行频率申请，但技术开发难度较大；无线射频技术的通信距离不超过1 000 m，通信速率可以达到2 Mb/s，通信频率在1～2.4 GHz，通信频率不需要进行申请，开发起来比较容易；WiFi技术通信距离不超过300 m，通信速率最高可以达到11Mb/s，通信频率在2.4GHz以上，开发存在较大难度[2-4]。

1.2 Profibus无线解决方案

R-fieldbus总线物理层应用传统的DP接口，WLAN直接序列扩频，传输速率在2 Mb/s，有着很高的实时性、抗干扰性以及保密性。但是，该总线不兼容Profibus-DP协议。无线网关可以使不同通信协议实现互联，市场上有着很多成熟的产品，但采用无线网关实现Profibus-DP与无线数据的转换有着较大的延时，多用于PC机与输入输出控制器间的数据交换。无线中继可以在Profibus系统中某站点安装有线、无线数据转换调制解调器，无线信号通过中继接入到Profibus物理层，在物理层面实现无线数据的转换。采用无线中断通信模块可以实现Profibus的无线信号传输，选择无线射频芯片与无线中继法来进行立体车库车辆搬运器无线通信设计[5-8]。

2 Profibus无线通信模块的硬件设计

2.1 通信模块原理

根据Profibus通信减少数据转换延时的要求，无线芯片应该采取直接模式。采用CC1101芯片作为通信模块核心，CC1101芯片可以结合具体的通信方式采用不同的数据传输速率，工作频段不超过1 GHz，供电电压为1.8～3.6 V，拥有6个数字量输入输出引脚、3个模拟量输入输出引脚以及两个检点射频输入输出引脚。此外，其内部集成频率发生器、调制解调器，内置链路层可采用SPI接口进行参数设置。工作频率为433 MHz时波长较大，具备信号反射、绕射性能，功耗可以达到最低。

为了更好地减少数据转换产生的时间延迟，一块无线芯片用于发送，另一块无线芯片用于接收，设置不同的通道来降低影响。如果AB线上形成有效差分信号，可通过RS-485串口中的ADM2486转换成TXD信号，再传送给1号的CC1101芯片的GDO0引脚，将接收到的数字信号调制处理成无线信号后再发送。如果获取到无线信号，2号的CC1101芯片将无线信号换变为数字信号后传输至ADM2486，之后将数字信号换变为差分信号并输送至AB线，具体原理如图1所示。

图1 车辆搬运器无线通信原理

2.2 芯片外围电路

无线芯片CC1101选择在433 MHz频率，外围电路由电源退耦电路、滤波器、平衡转换器以及晶体负载等构成，具体如图2所示。

图2 CC1101芯片外围电路

C11—C15为电源退耦电容，可以对高频噪音进行滤除，并为触发脉冲提供能量。电容C4、C6和电感L1、L2共同建立起平衡转换器，可以将无线芯片起到微分作用的端口RF转变为单端信号，并使输出信号保持最大值。平衡转换器和信号网络具体设计值可以通过设计软件获得，当无线芯片CC1101运行频率为433 MHz时，电容 C4、C6取 3.9 pF，电感L1、L2取27 nH。

晶体需要设置在XOSC_Q1、XOSC_Q2引脚间，还需要匹配负载电容才可以正常使用，电容值通过总负载容量CL来确定。当晶体运行在指定频率时，为保证晶体可以正常振荡，两端总负载电容也应该取CL，计算公式为：

式中，Cp为寄生电容值，取2.5 pF。

使用L3、L4与C7构建T型滤波器，电路结构要比传统的π型滤波器更为合理，多增加1个串联电感，可以使电路具有良好的阻交流、通直流的特性，对谐波有着良好的抑制效果。同时，因为串联2个电感会使滤波器前、后信号耦合值变小，所以该T型滤波器可以起到更好的滤波效果。

天线是实现射频信号传输的装置，其性能好坏将影响整个通信系统的运行质量与通信距离。低功耗、短距离多采用PCB天线、螺旋天线等。由于PCB天线可以嵌入到电路板中，有着设计成本低、占用体积小以及功耗较少等优点，因此车辆搬运器无线通信系统通常采用PCB天线。为保证后续调试顺利进行，可将电源接口、RS-485接口等都与P1插座连接，这样可以与其他的电路板进行快速电气连接[9,10]。

2.3 单片机外围电路

CC1101芯片配置要采用SPI接口，程序调试还需要采用JTAG接口，这就要求选用的单片机具有上述两种接口。Atmega162单片机具备低功耗、单时钟周期执行时间短等优点，有着很快的运行速度，配置有两个独立的USART串行接口和1个SPI接口。由于该单片机复位操作为低电平有效，因此电阻需要与3.3 V电源进行连接，电阻值取10 kΩ，电容值取10 μF。

SPI接口电路将单片机与无线芯片进行连接，将1个单片机接口与两个无线芯片进行连接。将单片机作为主机，两个无线芯片作为SPI从机，两类芯片均采用3.3 V供电，在保证供电便利的前提下可以保证两者间的正常通信。JTAG电路由电阻和10针插座构成，可以与单片机仿真器进行连接，电阻值取10 kΩ。JTAG接口主要用于调试，可以对编写好的程序进行烧制与仿真。该接口有4个引脚，TMS可用于测试模式选择，TCK用于测试时钟的输入，TDI用于测试数据输入，TDO用于测试数据输出。

2.4 RS-485接口电路

由于采用的Profibus物理层为RS-485，因此可以采用双绞线进行数据传输。该接口电路由芯片外围电路和RTS信号控制电路构成，接口芯片采用ADM2486，具体如图3所示。

图3 RS-485接口芯片外围电路

ADM2486采用iCoupler磁隔离技术，可以实现较高的通信传输速率，不需要配置太多电子元器件，只需要RXD、TXD以及RTS就可以实现与总线的连接。为了更好地滤除电源高频杂波，在电源引脚部位并联0.1 μF退耦电容。

2.5 电源电路

ADM2486总线端采用5 V电源，其他芯片、单稳态触发器等采用3.3 V电源。如果供电电源不稳定，则无法保证通信模块的可靠性，需要对电源进行隔离处理，避免电压转换产生的不稳定性。电芯管理芯片采用IB2405LD，可以实现24 V/5 V的转换。

3 Profibus无线通信模块的软件设计

3.1 单片机初始化

ATmega162单片机运行时需要对I/O端口、SPI接口进行初始化，该单片机采用方向寄存器、数据寄存器以及输入引脚寄存器进行I/O接口控制。SPI有控制寄存器、状态寄存器以及数据寄存器，其中控制寄存器用于选取接口工作模式，状态寄存器向SPI主机发送接口状态信息，数据寄存器用于SPI移位和与其他寄存器进行数据交互。

3.2 无线芯片初始化

CC1101芯片通过专用软件进行配置，可以实现对寄存器的设定与性能评测。无线芯片具有12个状态寄存器、14个命令滤波寄存器以及47个配置寄存器，对命令滤波寄存器进行访问时会导致内部状态出现变化。配置寄存器多用于程序测试，对无线芯片进行正常操作时不对上述寄存器进行读写。状态寄存器为只读模式，可以读取无线芯片的状态信息。如果对无线芯片进行重启，则会使所有寄存器都还原到默认值。

配置寄存器可以用于设置数据长度、接收发模式或波特率参数等，对通用I/O接口进行配置时，为了尽可能降低数据传输带来的延迟，使无线芯片工作在异步串行模式下，通过SPI接口对芯片进行配置，利用GDO0、GDO2构建通用I/O来实现数据通信。将GDO0用于串行数据输入、输出端，如果芯片工作于数据发送状态时，该引脚可作为串行数据输入端；而如果芯片工作于接收状态，该引脚作为串行数据输出端，对应寄存器可以配置为0X0D。为降低管脚对芯片带来的干扰，降低芯片运行功耗，可将该引脚对应寄存器设置为0x2E。

利用寄存器MDMCFG3、MDMCFG4中状态位来设置无线芯片通信速率，传输速率与传输时间为反比例关系，将MDMCFG3、MDMCFG4状态位分别设置为0xD9、0x8C，可使无线数据传输速率达到187.5 kb/s。通过对FREQ0、FREQ1、FREQ2的状态位赋值来确定运行频率，将上述3个寄存器状态位设置为0x10、0xA7、0x62。

4 通信系统配置

将西门子CPU315-2DP作为Profibus通信主站，通过MPI电缆与PC机进行通信。Profibus-DP无法与PIC单片机（该芯片用于控制车辆搬运器执行机构动作）进行直接通信，可采用协议总线桥实现Profibus-DP和Modbus的转换。PIC单片机作为从站，应用RS-485通信接口，实现点对多点的通信，可以适应立体车库复杂的电磁环境。ADM2483为增强型RS-485收发器，可以实现500 kb/s传输速率和对RS-485接口进行隔离，性能要好于光耦隔离方式的串行通信线路。同时，PIC单片机TX/RX端口输出信号为TTL电平，信号传输距离较远，采用ADM2483芯片可以共同建立起RS485通信接口电路。

5 结 论

综上所述，将Profibus无线通信技术应用于车辆搬运器可以采用无线中继法，将CC1101作为核心元件来建立无线通信模块，并进行了模块的硬件、软件设计。将Profibus通信模块用于PLC控制器与PIC单片机中，可以满足车辆搬运器控制与无线通信的需求。