基于以太網(wǎng)的傾角測量系統(tǒng)設(shè)計

摘 "要： 針對工業(yè)長距離測控環(huán)境，設(shè)計了基于以太網(wǎng)的傾角測量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的RS 232，RS 485/422通信接口相比，以太網(wǎng)接口具有低成本、易于組網(wǎng)的優(yōu)勢，方便實現(xiàn)企業(yè)管控一體化。根據(jù)MEMS加速度傳感器的工作原理和特點，研究了一種基于MEMS加速度傳感器以及體積最小的以太網(wǎng)芯片的傾角測量系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，詳細介紹了系統(tǒng)的工作原理，重點闡述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，編寫了基于UDP通信協(xié)議的微控制器端的軟件和上位機端的實時顯示軟件，并進行了實驗測試。實驗結(jié)果顯示：該系統(tǒng)集成度高，功耗低，可靠性高，可用于各種長距離姿態(tài)測量。與傳統(tǒng)的傾角測量系統(tǒng)相比具有測量精度高、測量范圍大、使用及攜帶方便等特點。

關(guān)鍵詞： 長距離測控; 加速度傳感器; 以太網(wǎng); 傾角測量系統(tǒng)

中圖分類號： TP212.9 " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0108?03

Design of angle measurement system based on Ethernet

GUO Hui?jun， ZHOU Gui?rong， XU Jian?yuan

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute of COMAC， Shanghai 201210， China）

Abstract： For the long?distance industrial monitoring and control， an angle measurement system based on Ethernet is designed. Compared with the traditional RS232 and RS485/422 communication interface， Ethernet interface has the advantages of low cost and easy networking， which is convenient to realize enterprise integration management. According to the working principle and characteristics of the MEMS accelerometer sensor， a realization method of angle measurement system based on MEMS accelerometer sensor and the smallest Ethernet chip is studied. The working principle of the system is introduced. The hardware circuit design and software design of the system are expounded emphatically. The software for microcontroller and the PC real?time display software based on UDP communication protocol were compiled and tested in experiment. The experimental results show that the system has high integration， low power consumption， high reliability， and can be used for a variety of long distance attitude measurement. Compared with the conventional angle measurement system， the system has characteristics of high measuring accuracy， large measuring range， and is convenient to carry and use.

Keywords： long?distance monitoring and control; accelerometer sensor; Ethernet; angle measurement system

0 "引 "言

傾角測量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機器人的機械臂伸展確定、車船體的傾斜測量、巖體傾向判斷、工程鉆空軌跡檢測等方面。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，新興的MEMS加速度傳感器體積小、重量輕、功耗小、成本低、可靠性高、易于實現(xiàn)數(shù)字化和智能化，越來越多的運用在傾角測量領(lǐng)域。在工業(yè)測控環(huán)境中，長距離測量是必不可少的。常用的通信接口有RS 232、RS 485/422、以太網(wǎng)等[1?3]，其中RS 232為最常用的雙向通信接口，但其通信距離和傳輸速度有限;RS 485/422使用差分信號傳輸，具有更好的抗噪性和更遠的傳輸距離，在應(yīng)用中可以建立連向PC的分布式設(shè)備網(wǎng)絡(luò);以太網(wǎng)是一種標準的開放式通信網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、易于組網(wǎng)的優(yōu)勢，同時帶寬高，資源共享能力強，易與Internet連接，方便實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，實現(xiàn)企業(yè)管控一體化。本文設(shè)計了基于MEMS加速度傳感器的傾角測量系統(tǒng)[4]，選用以太網(wǎng)連接傾角測量系統(tǒng)和主機端，實現(xiàn)基于UDP協(xié)議的高精度傾角測量和主機端的實時顯示。

1 "傾角測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件主要由電源與電壓基準模塊，MEMS加速度傳感器電路，信號調(diào)理電路，微處理器，以太網(wǎng)接口電路等組成，傾角測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 "電源與電壓基準模塊

電源模塊采用LM1117?3.3 V芯片，可在輸入電壓4.5～10 V時提供最大800 mA的輸出電流，且成本較低。

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圖1 系統(tǒng)組成框圖

電壓基準采用LT1019，其電壓輸出誤差lt;0.5%，溫漂lt;3 ppm/℃，為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器提供2.5 V的電壓基準。

MEMS傾角傳感器在傾角為0°時，模擬輸出為其電源電壓的[12]。如果傾角傳感器電源電壓有波動，則其輸出會產(chǎn)生相應(yīng)的波動。因此設(shè)計時，將此基準電源經(jīng)過跟隨器后，提供給MEMS傾角傳感器作電源。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準源和MEMS加速度傳感器使用同一電源，在電源電壓變化時可消除MEMS傾角傳感器因電源引起零點漂移。同時該電壓經(jīng)過電阻分壓和跟隨放大，為信號調(diào)理電路提供偏置電壓。

1.2 "MEMS加速度傳感器電路

加速度傳感器測量傾角的基本原理[5]是：通過測量重力加速度測量平面分量在加速度計敏感軸上的分量，利用三角函數(shù)計算出傾角值。加速度傳感器采用ADI公司的ADXL327芯片，它具有功耗低、噪音低、成本低的特點，內(nèi)部包含微機械電容傳感單元、傳感運放電路和輸出驅(qū)動電路，量程為±2 g。信號輸出端并聯(lián)不同的電容，可以實現(xiàn)不同的信號帶寬和噪聲，本文使用帶寬為500 Hz。

1.3 "信號調(diào)理電路

由于傳感器電路的帶寬限制電路具有低通濾波的作用，因此信號調(diào)理電路主要進行信號的調(diào)零和放大。在使用2.5 V的電源電壓時，ADXL327的0 g偏移電壓值為1.25 V，輸出靈敏度為355 mV/g，對于重力范圍內(nèi)的測量，在一個軸向上輸出的電壓范圍為0.895～1.605 V。為了充分利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的測量范圍，提高測量精度，同時保留一定的余量，需對ADXL327的輸出信號進行放大調(diào)理，電路如圖2所示。

調(diào)理后的輸出電壓為：

[Vout=2.6Vin-2] " " " " " " "（1）

由此計算出調(diào)理電路的電壓輸出范圍為0.327～2.173 V。

1.4 "微處理器相關(guān)電路

該部分電路主要包括單片機最小系統(tǒng)電路。系統(tǒng)采用C8051F352微處理器作為系統(tǒng)的控制器[6]。C8051F352是Silicon Labs公司研制的能真正獨立工作的片上系統(tǒng)（SoC），它具有8 KB FLASH，可在系統(tǒng)編程;集成一個8通道16位的Sigma?Delta數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，該ADC具有在片校準功能，2個獨立的數(shù)字抽取濾波器可被編程到1 kHz的采樣率;具有一路UART和一路增強型SPI接口，8位DAC等;支持JTAG片上調(diào)試，使開發(fā)調(diào)試大大簡化。

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圖2 信號調(diào)理電路

本系統(tǒng)利用C8051F352的片內(nèi)ADC采集加速度傳感器的調(diào)理信號，利用增強型SPI與以太網(wǎng)芯片連接。

1.5 "以太網(wǎng)接口電路

以太網(wǎng)芯片采用Microchip公司的ENC28J60[7]。它是全球目前最小封裝的以太網(wǎng)控制器，大大簡化相關(guān)設(shè)計，并減小占板空間;兼容的IEEE 802.3協(xié)議，集成MAC和10BASE?T物理層，支持全雙工和半雙工模式，數(shù)據(jù)沖突時可編程自動重發(fā);采用標準串行接口（SPI），接口速度高達10 Mb/s;集成8 KB數(shù)據(jù)接收發(fā)送雙端口RAM、快速數(shù)據(jù)移動的內(nèi)部DMA控制器，可配置接收發(fā)送緩沖區(qū)大小，支持單播、多播和廣播;集成兩個可編程LED輸出，帶7個中斷源的兩個中斷引腳等，使之成為最小的嵌入式應(yīng)用以太網(wǎng)解決方案。網(wǎng)絡(luò)接頭采用帶網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的RJ45接頭HR911105A，接口電路如圖3所示。其中ENC28J60的時鐘信號由微控制器提供，兩個中斷引腳分別連接單片機的外部中斷輸入引腳。

2 "軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是本設(shè)計的核心部分，軟件分為下位機（微處理器）部分和上位機部分。

2.1 "微處理器軟件

該軟件主要包括信號的處理采集、傾角的解算、SPI通信等，軟件的程序流程圖如圖4所示[8]。

在系統(tǒng)初始化階段，需要對ENC28J60的相應(yīng)寄存器進行設(shè)置和初始化，初始化設(shè)置工作包括接收和發(fā)送緩沖區(qū)、接收過濾、MAC寄存器、物理層。本系統(tǒng)的通信部分主要進行俯仰角數(shù)據(jù)發(fā)送，使用了面向非連接的UDP協(xié)議，提高傳輸速度[9]。

圖3 通信接口電路

2.2 "上位機軟件

該軟件主要進行以太網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)處理與顯示等，使用Visual Basic語言編寫界面[9]如圖5所示。

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圖4 微處理器軟件流程圖

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圖5 上位機軟件界面

3 "實驗結(jié)果

將樣機固定在轉(zhuǎn)臺上進行測試，將轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)至不同的傾角位置，系統(tǒng)實測結(jié)果如表1、表2所示。實驗結(jié)果表明，該傾角測量系統(tǒng)具有較高的分辨率，俯仰角精度在[±0.5°]之內(nèi)，傾斜角在俯仰角不大于[80°]時精度在[±0.5°]之內(nèi)，滿足傾角測量系統(tǒng)的精度要求，同時對系統(tǒng)進行24 h的不間斷測試，數(shù)據(jù)通信正常，驗證了系統(tǒng)工作的可靠性。

表1 俯仰角[θ]實測數(shù)據(jù)表（[r=15°]）

表2 傾斜角[r]實測數(shù)據(jù)表（[θ=15°]）

由表1、表2看出，實測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存在一定的測量誤差，此誤差是由傳感器制造，安裝和電路參數(shù)不一致造成的，可通過誤差補償減小，提高系統(tǒng)測量精度[10]。

4 "結(jié) "語

針對工業(yè)長距離測控環(huán)境，設(shè)計了基于以太網(wǎng)的傾角測量系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，編寫了微控制器端的軟件和上位機端的實時顯示軟件，并進行了實驗測試。采用MEMS加速度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械電子裝置，能大大縮小系統(tǒng)的體積，降低系統(tǒng)功耗，提高可靠性，適用于各種長距離姿態(tài)測量，且易于工程化實現(xiàn)。

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