摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控，將自動(dòng)稱重控制技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)融合，給出了一種基于嵌入式平臺(tái)和無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)方案。該方案采用C8051F060單片機(jī)和無(wú)線射頻收發(fā)芯片CC1101為主要器件組成無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊、無(wú)線傳輸模塊、上位機(jī)監(jiān)控管理等三部分組成。通過(guò)無(wú)線通信的方式對(duì)遠(yuǎn)程稱量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，為無(wú)線遠(yuǎn)程自動(dòng)稱量和管理提供了新的途徑。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；稱重控制器；無(wú)線模塊；遠(yuǎn)程稱量

0 引言
在工業(yè)生產(chǎn)的計(jì)量領(lǐng)域中，電子稱量系統(tǒng)是生產(chǎn)中十分重要的計(jì)量設(shè)備，傳統(tǒng)的電子稱重控制系統(tǒng)大多采用固定的點(diǎn)到點(diǎn)有線通信，該類設(shè)備一般使用RS 485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各種儀器儀表通過(guò)有線方式連接，這樣不僅現(xiàn)場(chǎng)施工麻煩，而且費(fèi)用很高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用越來(lái)越多。本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)線港口稱重遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將嵌入式技術(shù)、無(wú)線測(cè)控技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。該系統(tǒng)稱量精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高、成本低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 無(wú)線稱重控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
無(wú)線稱重控制系統(tǒng)主要由四部分組成，即電子料斗秤體、稱重控制器、無(wú)線通信模塊和監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電子料斗秤體主要由儲(chǔ)料斗和裝有稱重傳感器的稱量料斗兩部分組成。稱重控制器由前置預(yù)處理電路、顯示電路和單片機(jī)通信電路等組成。無(wú)線通信模塊的功能主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，在稱重控制器與中央監(jiān)控室內(nèi)的計(jì)算機(jī)之間建立無(wú)線通信連接。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線通信模塊采集各臺(tái)稱重控制器的數(shù)據(jù)并對(duì)稱重控制器發(fā)送控制命令，同時(shí)對(duì)采集到的多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)稱重控制系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)硬件
2．1 稱重控制器結(jié)構(gòu)
稱重控制器主要由C8051F060單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集電路、輸入輸出部分、鍵盤和顯示部分、通信電路五部分組成，如圖2所示。

C8051F060單片機(jī)資源豐富、功能完善、功耗低、體積小，是設(shè)計(jì)稱重控制器的理想選擇。數(shù)據(jù)采集電路包括傳感器、前置放大和低通濾波電路組成，稱重傳感器采集的重量信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大和濾波電路后，被送到單片機(jī)內(nèi)部的16位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。鍵盤和顯示電路主要完成參數(shù)的輸入和數(shù)據(jù)的顯示。輸入輸出控制電路包括光電耦合器、放大電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的輸入輸出控制。通信電路是將單片機(jī)輸出的TTL電平信號(hào)經(jīng)過(guò)SP3232E芯片轉(zhuǎn)換成RS 232信號(hào)。
2．2 信號(hào)預(yù)處理電路
數(shù)據(jù)采集電路由稱重傳感器、放大濾波電路及C8051F060內(nèi)的16位A／D轉(zhuǎn)換器等組成。稱重傳感器采用電阻應(yīng)變式傳感器，實(shí)現(xiàn)將稱重載荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號(hào)。放大濾波電路采用TI公司的OPA37和OP07組成的差分放大電路，如圖3所示。文中采用ADC0單端方式工作，參考電壓VREF為2．5 V，則其輸入電壓范圍為0～2．5 V。

2．3 鍵盤與顯示驅(qū)動(dòng)電路
用于顯示和按鍵接口電路的驅(qū)動(dòng)芯片采用BC7281B，它與C805lF060單片機(jī)之間采用2線高速串行接口通信。使用時(shí)需要在雙向數(shù)據(jù)傳輸線DAT上加20 kΩ左右的上拉電阻，串行接口的同步時(shí)鐘CLK由C8051F060的P2．1引腳控制。圖4為顯示和鍵盤驅(qū)動(dòng)電路。

本文采用BC7281B擴(kuò)展20(5×4)個(gè)矩陣按鍵，‘行’線連接到BC7281的位驅(qū)動(dòng)DIG0～DIG4，‘列’線連接到第0～7位顯示的段驅(qū)動(dòng)移位寄存器的輸出，為了防止顯示電路對(duì)鍵盤電路的影響，鍵盤矩陣與顯示電路之間必須加入二極管和4．7 kΩ的隔離電阻。本電路采用了6位數(shù)碼管顯示，只需對(duì)應(yīng)接入一片8位的移位寄存器與BC7281的位驅(qū)動(dòng)DIG0～DIG7，移位脈沖由74HC164進(jìn)行控制。
2．4 無(wú)線通信模塊接口電路
稱重控制系統(tǒng)采用RF1100-232無(wú)線收發(fā)模塊，該模塊內(nèi)置TI公司最新的高性能CC1101無(wú)線通信芯片，433 MHz免費(fèi)ISM頻段免許可證使用，低功耗工作，無(wú)障礙傳輸距離可達(dá)200 m以上，可應(yīng)用于多種場(chǎng)合。

稱重控制器與無(wú)線模塊之間的通信直接采用TTL電平，通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，圖5為無(wú)線模塊與C8051F060單片機(jī)連接示意圖。監(jiān)控計(jì)算機(jī)與無(wú)線通信模塊之間通信需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，在此采用了MAX232芯片進(jìn)行TTL電平與RS 232電平轉(zhuǎn)換，圖6為PC機(jī)與無(wú)線通信模塊連接示意圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程
監(jiān)控計(jì)算機(jī)每隔200ms通過(guò)串口進(jìn)行一次稱重控制器數(shù)據(jù)采集。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)串口將采集指令傳輸給無(wú)線通信模塊的單片機(jī)，然后無(wú)線通信模塊的單片機(jī)再將收到的指令通過(guò)SPI接口發(fā)送給CC1101，CC1101在發(fā)送模式下，將傳輸?shù)挠行лd荷寫入TX FIFO中，并在數(shù)據(jù)包中將添加可控?cái)?shù)據(jù)的前導(dǎo)碼、同步詞匯和CRC奇偶校驗(yàn)碼，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去；當(dāng)稱重控制器的無(wú)線模塊接收到有效的數(shù)據(jù)后，經(jīng)前導(dǎo)偵測(cè)、同步詞匯偵測(cè)、檢測(cè)CRC校驗(yàn)碼對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析送出，無(wú)線模塊的單片機(jī)通過(guò)SPI接口從CC1101中讀出接收數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)串行口送給稱重控制器，接著稱重控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行采集數(shù)據(jù)和控制外圍設(shè)備工作。采集任務(wù)完成以后，稱重控制器將采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)再通過(guò)無(wú)線通信模塊送回到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理以及打印輸出等操作。
3．2 稱重控制器稱重控制程序
本文采用了二段加料法，即快加料和慢加料，通過(guò)快加料縮短加料時(shí)間，提高稱量效率，用慢加料減小稱量誤差，提高稱量精度。設(shè)定系統(tǒng)中當(dāng)前重量為M0，快加料目標(biāo)量為M1，目標(biāo)加料量為M2，慢加料停止的提前量為M3，慢加料目標(biāo)量為M2-M3。加排料控制子程序如圖7所示。

3．3 無(wú)線通信模塊軟件設(shè)計(jì)
無(wú)線通信模塊主要由CC1101接收和發(fā)送程序組成，無(wú)線通信模塊的單片機(jī)通過(guò)SPI接口對(duì)CC1101進(jìn)行配置。當(dāng)CSn為低電平時(shí)，SPI接口開始工作，準(zhǔn)備接受一條指令，CSn由高到低跳變時(shí)開始轉(zhuǎn)換指令。無(wú)線通信流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)的無(wú)線模塊工作在頻段433 MHz，該頻段為免費(fèi)ISM頻段免許可證使用(420～440 MHz)；在無(wú)障礙物可視的情況下可以達(dá)到230 m，在有電機(jī)干擾的車間環(huán)境下可傳輸80 m左右；中央計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件采用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)重量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)集中管理。文中采用了6臺(tái)稱重控制器進(jìn)行散料稱量控制，上位機(jī)監(jiān)控界面如圖9所示。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：
(1)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示：包括當(dāng)前重量、上次排料重量、累計(jì)總重量。
(2)通信狀態(tài)顯示。
(3)操作指令：排料、加料。
(4)歷史數(shù)據(jù)：歷史數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)輸出打印。
(5)用戶管理：用戶身份驗(yàn)證、用戶密碼修改。
(6)系統(tǒng)管理：窗口管理、退出系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)
本文采用C8051F060單片機(jī)作為稱重控制器的處理芯片，用CC1101 RF收發(fā)芯片組成無(wú)線收發(fā)通信模塊，上位機(jī)采用MCGS組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)了港口散料的自動(dòng)稱量與管理。該系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)線通信的方式對(duì)遠(yuǎn)程稱量設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和控制，為港口散狀物料(如谷物、煤粉)的自動(dòng)稱量和管理提供了新的途徑。