基于以太网的倾角测量系统设计

摘 要： 针对工业长距离测控环境，设计了基于以太网的倾角测量系统，与传统的RS 232，RS 485/422通信接口相比，以太网接口具有低成本、易于组网的优势，方便实现企业管控一体化。根据MEMS加速度传感器的工作原理和特点，研究了一种基于MEMS加速度传感器以及体积最小的以太网芯片的倾角测量系统的实现方法，详细介绍了系统的工作原理，重点阐述了系统的硬件电路设计和软件设计，编写了基于UDP通信协议的微控制器端的软件和上位机端的实时显示软件，并进行了实验测试。实验结果显示：该系统集成度高，功耗低，可靠性高，可用于各种长距离姿态测量。与传统的倾角测量系统相比具有测量精度高、测量范围大、使用及携带方便等特点。

关键词： 长距离测控; 加速度传感器; 以太网; 倾角测量系统

中图分类号： TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 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

倾角测量系统广泛应用于机器人的机械臂伸展确定、车船体的倾斜测量、岩体倾向判断、工程钻空轨迹检测等方面。随着传感技术的发展，新兴的MEMS加速度传感器体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化，越来越多的运用在倾角测量领域。在工业测控环境中，长距离测量是必不可少的。常用的通信接口有RS 232、RS 485/422、以太网等[1?3]，其中RS 232为最常用的双向通信接口，但其通信距离和传输速度有限;RS 485/422使用差分信号传输，具有更好的抗噪性和更远的传输距离，在应用中可以建立连向PC的分布式设备网络;以太网是一种标准的开放式通信网络，具有低成本、易于组网的优势，同时带宽高，资源共享能力强，易与Internet连接，方便实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接，实现企业管控一体化。本文设计了基于MEMS加速度传感器的倾角测量系统[4]，选用以太网连接倾角测量系统和主机端，实现基于UDP协议的高精度倾角测量和主机端的实时显示。

1 倾角测量系统硬件设计

本系统硬件主要由电源与电压基准模块，MEMS加速度传感器电路，信号调理电路，微处理器，以太网接口电路等组成，倾角测量系统结构如图1所示。

1.1 电源与电压基准模块

电源模块采用LM1117?3.3 V芯片，可在输入电压4.5～10 V时提供最大800 mA的输出电流，且成本较低。

<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼13t1.tif>

图1 系统组成框图

电压基准采用LT1019，其电压输出误差<0.5%，温漂<3 ppm/℃，为模/数转换器提供2.5 V的电压基准。

MEMS倾角传感器在倾角为0°时，模拟输出为其电源电压的[12]。如果倾角传感器电源电压有波动，则其输出会产生相应的波动。因此设计时，将此基准电源经过跟随器后，提供给MEMS倾角传感器作电源。模/数转换器的基准源和MEMS加速度传感器使用同一电源，在电源电压变化时可消除MEMS倾角传感器因电源引起零点漂移。同时该电压经过电阻分压和跟随放大，为信号调理电路提供偏置电压。

1.2 MEMS加速度传感器电路

加速度传感器测量倾角的基本原理[5]是：通过测量重力加速度测量平面分量在加速度计敏感轴上的分量，利用三角函数计算出倾角值。加速度传感器采用ADI公司的ADXL327芯片，它具有功耗低、噪音低、成本低的特点，内部包含微机械电容传感单元、传感运放电路和输出驱动电路，量程为±2 g。信号输出端并联不同的电容，可以实现不同的信号带宽和噪声，本文使用带宽为500 Hz。

1.3 信号调理电路

由于传感器电路的带宽限制电路具有低通滤波的作用，因此信号调理电路主要进行信号的调零和放大。在使用2.5 V的电源电压时，ADXL327的0 g偏移电压值为1.25 V，输出灵敏度为355 mV/g，对于重力范围内的测量，在一个轴向上输出的电压范围为0.895～1.605 V。为了充分利用模数转换器（ADC）的测量范围，提高测量精度，同时保留一定的余量，需对ADXL327的输出信号进行放大调理，电路如图2所示。

调理后的输出电压为：

[Vout=2.6Vin-2] （1）

由此计算出调理电路的电压输出范围为0.327～2.173 V。

1.4 微处理器相关电路

该部分电路主要包括单片机最小系统电路。系统采用C8051F352微处理器作为系统的控制器[6]。C8051F352是Silicon Labs公司研制的能真正独立工作的片上系统（SoC），它具有8 KB FLASH，可在系统编程;集成一个8通道16位的Sigma?Delta数/模转换器，该ADC具有在片校准功能，2个独立的数字抽取滤波器可被编程到1 kHz的采样率;具有一路UART和一路增强型SPI接口，8位DAC等;支持JTAG片上调试，使开发调试大大简化。

<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼13t2.tif>

图2 信号调理电路

本系统利用C8051F352的片内ADC采集加速度传感器的调理信号，利用增强型SPI与以太网芯片连接。

1.5 以太网接口电路

以太网芯片采用Microchip公司的ENC28J60[7]。它是全球目前最小封装的以太网控制器，大大简化相关设计，并减小占板空间;兼容的IEEE 802.3协议，集成MAC和10BASE?T物理层，支持全双工和半双工模式，数据冲突时可编程自动重发;采用标准串行接口（SPI），接口速度高达10 Mb/s;集成8 KB数据接收发送双端口RAM、快速数据移动的内部DMA控制器，可配置接收发送缓冲区大小，支持单播、多播和广播;集成两个可编程LED输出，带7个中断源的两个中断引脚等，使之成为最小的嵌入式应用以太网解决方案。网络接头采用带网络隔离变压器的RJ45接头HR911105A，接口电路如图3所示。其中ENC28J60的时钟信号由微控制器提供，两个中断引脚分别连接单片机的外部中断输入引脚。

2 软件设计

系统的软件设计是本设计的核心部分，软件分为下位机（微处理器）部分和上位机部分。

2.1 微处理器软件

该软件主要包括信号的处理采集、倾角的解算、SPI通信等，软件的程序流程图如图4所示[8]。

在系统初始化阶段，需要对ENC28J60的相应寄存器进行设置和初始化，初始化设置工作包括接收和发送缓冲区、接收过滤、MAC寄存器、物理层。本系统的通信部分主要进行俯仰角数据发送，使用了面向非连接的UDP协议，提高传输速度[9]。

图3 通信接口电路

2.2 上位机软件

该软件主要进行以太网通信、数据处理与显示等，使用Visual Basic语言编写界面[9]如图5所示。

<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼13t4.tif>

图4 微处理器软件流程图

<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼13t5.tif>

图5 上位机软件界面

3 实验结果

将样机固定在转台上进行测试，将转台转至不同的倾角位置，系统实测结果如表1、表2所示。实验结果表明，该倾角测量系统具有较高的分辨率，俯仰角精度在[±0.5°]之内，倾斜角在俯仰角不大于[80°]时精度在[±0.5°]之内，满足倾角测量系统的精度要求，同时对系统进行24 h的不间断测试，数据通信正常，验证了系统工作的可靠性。

表1 俯仰角[θ]实测数据表（[r=15°]）

表2 倾斜角[r]实测数据表（[θ=15°]）

由表1、表2看出，实测系统数据存在一定的测量误差，此误差是由传感器制造，安装和电路参数不一致造成的，可通过误差补偿减小，提高系统测量精度[10]。

4 结 语

针对工业长距离测控环境，设计了基于以太网的倾角测量系统。详细介绍了系统的硬件结构和工作原理，编写了微控制器端的软件和上位机端的实时显示软件，并进行了实验测试。采用MEMS加速度传感器代替传统机械电子装置，能大大缩小系统的体积，降低系统功耗，提高可靠性，适用于各种长距离姿态测量，且易于工程化实现。

参考文献

[1] 林跃，张建华.工业通信网络及系统技术[J].自动化与仪表， 2009（7）：22?30.

[2] 姜伟，尹静涛.串行通信标准在工业现场数据采集中的应用[J].中国科技信息，2009（7）：102?103.

[3] 刘小成，朱佳华，林峰.Linux下串口通信在工业控制方面的应用技术[J].机械制造与自动化，2010（6）：96?98.

[4] 余小平，庹先国，王洪辉.基于SoC的高精度倾角测量系统的设计[J].电子设计工程，2010，12（18）：34?37.

[5] 秦勇，臧希酷，王晓宇，等.基于MEMS惯性传感器的机器人姿态检测系统的研究[J].传感器技术学报，2007，20（2）：298?301.

[6] 潘琢金.C8051F352小混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[7] 祁树胜.SPI接口以太网控制器ENC28J60及其应用[J].微计算机信息，2006，22（23）：266?268.

[8] 杜树春.单片机C语言和汇编语言混合编程实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[9] 王峰，张宏伟.嵌入式Internet技术及其实现方案[J].微计算机信息，2003，12（19）：61?63.

[10] FANG Jian?cheng， SUN Hong?wei， CAO Juan?juan， et al. A novel calibration method of magnetic compass based on Ellipsoid fitting [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2011， 60（6）： 2053?2060.