基于激光位移傳感器的無線通信技術(shù)研究

周春梅

摘 要： 傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)存在透明傳遞特性，不能實(shí)現(xiàn)傳感器位移數(shù)據(jù)的預(yù)操作，數(shù)據(jù)傳輸偏差高、效率低等缺陷，為此，設(shè)計(jì)了基于激光位移傳感器的無線通信系統(tǒng)。采用多路傳感器同時(shí)采集、操作、顯示以及傳輸，采用ZigBee 技術(shù)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器的終端數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊同上位機(jī)的通信接口，并給出無線通信系統(tǒng)檢測(cè)程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)極大地提升了激光位移傳感器的使用效率，并且數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率都較高。

關(guān)鍵詞： 激光位移傳感器； 無線通信； 通信接口； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)： TN95?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）19?0025?03

Research on wireless communication technology based on laser displacement sensor

ZHOU Chunmei

（School of Electronic and Information Engineering， Sichuan Technology and Business University， Chengdu 611745， China）

Abstract： The traditional wireless communication system exists the transparent transmission characteristics， can′t realize the pre?operation of sensor displacement data， and has the defects of high data transmission deviation and low transmission efficiency. Therefore， a wireless communication system based on laser displacement sensor was designed. Several sensors for multi channels are used to acquire， operate， display and transmit the data at the same time. The ZigBee technology is adopted to establish the wireless sensor network （WSN）. By means of the terminal data acquisition module of the sensor， the communication interface between network coordinator module and upper computer is designed， and the detection procedure of the wireless communication system is given. The experimental results show that the system can enhance the use efficiency of laser displacement sensor greatly， and its real?time performance and accuracy for data wireless transmission are high.

Keywords： laser displacement sensor； wireless communication； communication interface； data acquisition

0 引 言

激光位移傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)長(zhǎng)度、距離等檢測(cè)領(lǐng)域中。傳統(tǒng)系統(tǒng)通常采用有線電纜方式完成激光位移傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，該傳輸方式容易受到檢測(cè)環(huán)境的干擾，存在布線復(fù)雜以及繞線困難等缺陷[1?2]，因此，無需布線的無線通信方式成為當(dāng)前檢測(cè)領(lǐng)域相關(guān)人員分析的重點(diǎn)[3?4]。而傳統(tǒng)系統(tǒng)存在透明傳遞特性，在無線傳輸前不能實(shí)現(xiàn)傳感器位移數(shù)據(jù)的預(yù)操作，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸偏差高、效率低。

激光位移傳感器通常應(yīng)用于測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)、電源供電以及數(shù)據(jù)傳輸過程中，通常采用有線電纜完成數(shù)據(jù)的傳輸。受到環(huán)境的限制，鋪設(shè)電纜需要耗費(fèi)較高的成本，大大降低了傳感數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量[5?7]。故設(shè)計(jì)基于激光位移傳感器的無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光位移傳感數(shù)據(jù)的高效率、高精度傳輸，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 基于激光位移傳感器的無線通信技術(shù)

1.1 激光位移傳感器的介紹

激光位移傳感器基于激光三角檢測(cè)原理實(shí)施非接觸檢測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、檢測(cè)效率和精度高的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)長(zhǎng)度、距離等檢測(cè)領(lǐng)域中。激光三角檢測(cè)法在運(yùn)行過程中，激光發(fā)射器通過鏡頭將激光束射向待測(cè)物體，物體反射的激光被激光器鏡頭中的感光元件采集形成光點(diǎn)，感光元件基于不同感光角度獲取不同距離發(fā)射的激光對(duì)應(yīng)的光點(diǎn)[8]。數(shù)據(jù)信號(hào)處理器對(duì)傳感器同待測(cè)物體間的距離實(shí)施計(jì)算過程中，需要全面分析感光角度、激光同感光元件間的距離等因素。激光位移傳感器的檢測(cè)原理圖用圖1描述，能夠看出物體位置變化時(shí)，光點(diǎn)位置也變化，激光位移傳感器基于光點(diǎn)的位置能夠檢測(cè)到待測(cè)物體的位移[9]。本文采用來自德國(guó)米銥公司的opto NCDT 1700LL系列激光位移傳感器。該傳感器數(shù)據(jù)輸出規(guī)范是RS 422串口協(xié)議，其采用一根RS 422轉(zhuǎn)USB的數(shù)據(jù)線同電腦通信。

1.2 基于多激光位移傳感器的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多個(gè)激光位移傳感器能夠檢測(cè)到多個(gè)被測(cè)點(diǎn)的位置信息，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜檢測(cè)任務(wù)。因此，基于opto NCDT 1700LL激光傳感器，設(shè)計(jì)多激光位移傳感器的無線通信系統(tǒng)，可提升無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率和精確度。endprint

1.2.1 無線通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)閆igBee技術(shù)是一種短距離、高效率的雙向無線通信技術(shù)，信息在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用自由路由的途徑進(jìn)行交互，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)信息傳遞的平穩(wěn)性。在利用激光位移傳感器檢測(cè)時(shí)，采用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，通過大量傳感器間的協(xié)同運(yùn)行獲取大量的位移數(shù)據(jù)。本文基于ZigBee無線技術(shù)，設(shè)計(jì)多激光位移傳感器的無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多路傳感數(shù)據(jù)的同時(shí)采集、操作、顯示以及傳輸。設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

從圖2中能夠看出，多激光位移傳感器無線通信系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€(gè)opto NCDT 1700LL激光位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，RFD為終端部件，不同的激光位移傳感器通過RFD實(shí)現(xiàn)位移數(shù)據(jù)的無線傳遞。數(shù)據(jù)接收端通過協(xié)調(diào)器FFD驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并采集各終端部件獲取的位移數(shù)據(jù)，采用USB接口同電腦通信，將獲取的位移數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)進(jìn)行分析[7]。鋰電池為系統(tǒng)提供電能，將MAX488當(dāng)成數(shù)據(jù)接口協(xié)議，數(shù)據(jù)接收端通過協(xié)調(diào)器同上位機(jī)端USB接口交互信息。

1.2.2 無線通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1） DTD253模塊接口設(shè)計(jì)。無線通信系統(tǒng)采用的無線通信模塊是DTD253模塊，其依據(jù)ZigBee規(guī)范以及CC2530芯片設(shè)計(jì)而成，擁有250 Kb/s的傳輸速率，供電電壓取值范圍為2.0～3.6 V。由于發(fā)送端激光位移傳感器的輸出以及DTD253模塊的輸入電平不同，因此需要通過芯片MAX488電路完成激光位移傳感器輸出接口電平到DTD253模塊串口電平的變換，實(shí)現(xiàn)激光位移數(shù)據(jù)的無線通信。MAX488的串口422信號(hào)線同激光位移傳感器接口連接，MAX488的WED接口和TXD接口分別同DTD253模塊的TX、WE信號(hào)線連接。串口接頭管腳示意圖見圖3。

圖3 串口接頭管腳示意圖

R?，R+，T?，T+以及GND信號(hào)線對(duì)應(yīng)于圖3中的1～5號(hào)管腳，6～9號(hào)引腳空閑，將6號(hào)引腳設(shè)置成24 V的電源管腳，向數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)壓模塊提供電能，解決了從鋰電池端融入電能產(chǎn)生的復(fù)雜接線問題。

采用Altium Designer軟件實(shí)施PCB設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)接收端的協(xié)調(diào)器為新的DTD253模塊，協(xié)調(diào)器可以采集和傳輸數(shù)據(jù)。DTD253B模塊的接口是TTL串口，采用FT232芯片實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB接口的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器同電腦端的通信，使得USB接口向DTD253提供電能。FT232R芯片的17管腳是3.1VOUT引腳，DTD253模塊擁有30 mA以及25 mA的發(fā)射電流和接收電流。通過FT232芯片的17引腳向DTD 235B協(xié)調(diào)器提供3.1 V電壓。

（2）處理器設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)處理單元對(duì)多個(gè)opto NCDT 1700LL激光傳感器位移數(shù)據(jù)實(shí)施操作。opto NCDT 1700LL傳感器的最大數(shù)據(jù)輸出頻率是2.5 kHz。本文采用Atmega1280?16AU AVR單片機(jī)，將其當(dāng)成激光位移傳感器無線通信系統(tǒng)的處理器。其處理速度為16 MHz，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器和SRAM存儲(chǔ)器的容量分別為128 KB和8 KB，模擬輸入接口的數(shù)量是16。

1.2.3 無線通信系統(tǒng)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

無線傳輸程序的關(guān)鍵內(nèi)容是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序以及終端節(jié)點(diǎn)程序，協(xié)調(diào)器采用串口向上位機(jī)傳輸字符串，并向終端節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，此時(shí)協(xié)調(diào)器將節(jié)點(diǎn)的地址信息反饋給上位機(jī)。

終端節(jié)點(diǎn)采集激光位移傳感器的位移數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)操作后，向協(xié)調(diào)器反饋位移數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器向上位機(jī)反饋位移數(shù)據(jù)。采用IAR Embedded Workbench系統(tǒng)完成終端節(jié)點(diǎn)串口程序的編寫，該串口程序可對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施操作，基于激光位移傳感器的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)前將數(shù)據(jù)設(shè)置成“&x=00.0000mm”的顯示格式。

采用輪詢?nèi)蝿?wù)調(diào)度隊(duì)列方法控制任務(wù)調(diào)度，通過定時(shí)器管理終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送過程。無線通信網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)激光位移傳感器終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器，傳輸位移數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔是2 s。

2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)無線射頻開發(fā)板進(jìn)行編程調(diào)試，融合本文采用的opto NCDT 1700LL激光位移傳感器和無線通信系統(tǒng)，實(shí)施收發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。

分析表1能夠看出：在激光位移傳感器的傳輸率高于300 Hz的情況下，傳統(tǒng)系統(tǒng)存在較高的掉包率；在激光位移傳感器串口波特率為57 500 b/s的情況下，傳統(tǒng)系統(tǒng)的串口通信堵死，不能傳輸數(shù)據(jù)，僅能進(jìn)行每秒收發(fā)約20個(gè)的位移數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激光位移傳感器要求的最高檢測(cè)頻率2.5 kHz。而基于多激光位移傳感器的無線通信系統(tǒng)在上述兩種情況下，都具有較高的數(shù)據(jù)傳輸量和數(shù)據(jù)輸出率，并且不存在掉包和堵死的問題，說明本文無線通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高效率傳輸。

實(shí)驗(yàn)將本文無線通信系統(tǒng)應(yīng)用到新型機(jī)床測(cè)頭中，在機(jī)床主軸中部署激光位移傳感器，融合逼近式空芯定位法，實(shí)現(xiàn)待測(cè)工件幾何尺寸檢測(cè)，檢測(cè)實(shí)物圖如圖4所示。其中的激光位移傳感器可確保測(cè)頭的檢測(cè)精度達(dá)到微米級(jí)（μm），測(cè)頭隨主軸進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，并對(duì)待測(cè)工件實(shí)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

圖5是本文無線通信系統(tǒng)對(duì)圖4中的待測(cè)工件實(shí)施檢測(cè)的結(jié)果，可以看出，測(cè)頭高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，本文系統(tǒng)檢測(cè)的工件孔心距數(shù)據(jù)保持平穩(wěn)的規(guī)律變化，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，總體工件孔心距的檢測(cè)誤差為微米，具有較高的實(shí)用性和檢測(cè)精度。

3 結(jié) 語

根據(jù)激光位移傳感器的數(shù)據(jù)傳輸原理，本文設(shè)計(jì)了基于多激光位移傳感器的無線通信系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)極大地增強(qiáng)了激光位移傳感器在檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。

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