基于nrf24l01的数控机床无线手轮设计

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1、基于nRF24L01的数控机床无线手轮设计摘要：传统的有线电子手轮由于受到连接线的约束，在操作时有诸多不便。为了使手轮的操作更加方便，提高工作效率，使用单片机采集手轮产生的信号，再通过无线射频芯片nRF24L01进行信号的传输，设计出一种数控机床无线手轮。使得手轮的使用摆脱了有线的束缚。关键词：无线手轮；无线射频；nRF24L01；数控机床分类号：TN911.7?34文献标识码：A文章编号:10047373X(2013)07?0163?03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通常是通过手轮操

2、作来实现的［1］。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

3、，操作方便，能提高工作效率。1设计原理本次设计的无线手轮，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采集手轮产生的差分信号和按键产生的控制信号，经过编码后通过无线方式发送出去。接收端则由单片机控制nRF24L01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。原理框2硬件设计2.1控制信号的采集信号的采集由Atmel公司的Atmegal6单片机来完成。ATmegal6单片机采用Harvard结构，内置WDT，具有高速、低功耗，可直接驱动LED、SSR或继电器等特点［2］

4、，具有很高的性价比，故选用该单片机。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。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_、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M⑶对信号进行处理。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［3］。当光电编码器正转时，A相超前2给出正转时B相90°，反转时，B相超前A相90脉冲A、B的波形正转时差分脉冲波形2.2nRF24L01

5、无线收发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SH接口进行设置。具有极低的电流消耗。该芯片支持多点间通信，最高传输速率达2Mb/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［4］。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2.4GHz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

6、2.4GHz技术可发展性提供了有利条件［5］。nRF24L01支持多点间通信，最高传输速率达2Mb/s。嵌入的链路层控制减少了MCU的复杂性和成本，并且提高了数据传输的可靠性，它采用SOC方法设计只需要少量的外E元件便可组成射频收发［6］。nRF24L01及外围电路原理图如3所示。nRF24L01及外围电路通过SPI接口，M⑶可以很方便地控制nRF24L01无线模块。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为数据传输管脚，MOSI用于数据输入，MISO用于数据输出

7、。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［7?8］。ATmegal6内部有一个可工作于主机/从机模式的硬件SPI串行接口［9］，但由于ATmegal6的工作电压为5V，而nRF24L01的工作电压为1.9〜3.6V，因此ATmegal6的SH接口与nRF24L01的SPI接口间应串接一个2kQ左右的限流电阻，以免烧毁芯片。2.3控制信号的还原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。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。而坐标轴选择信号和增量倍率选择信号

8、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