基于以太網(wǎng)的智能差動變壓器式位移傳感器研究

王其昭 姚立立 魏宇丹 劉 俊

（1.安徽工程大學電氣工程學院，安徽 蕪湖241000；2.安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖241000）

0 引言

差動變壓器式位移傳感器是利用差動變壓器原理設計制造的。它可以把直線移動的機械量變換為電量的變化，廣泛應用于各種位移量的測量或者能夠轉(zhuǎn)換為位移的各種物理測量，如伸長、膨脹、應變、壓力等。該類傳感器具有線性度高、線性范圍寬，可實現(xiàn)無接觸測量，受外界測量環(huán)境影響小等優(yōu)點[1-2]。

差動變壓器式位移傳感器通過把被測位移量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感變化，再經(jīng)過調(diào)理電路輸出電壓或電流，實現(xiàn)位移測量。由于兩個次級繞組線圈電氣參數(shù)和幾何尺寸不完全對稱、磁性材料磁化曲線的非線性以及電源幅值及頻率的不穩(wěn)定等原因，導致輸出的電壓或電流與位移量之間總是非線性的。同時，由于傳感器使用環(huán)境溫度變化引起線圈銅電阻阻值變化等原因，也會引起激磁電流和輸出電流的變化，即造成輸出電壓或電流的變化而產(chǎn)生溫度漂移。

傳統(tǒng)的差動變壓器式位移傳感器輸出為模擬的電壓或電流，由此構(gòu)建的控制系統(tǒng)中，計算機事先把所有傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后進行濾波、量綱變換等相關的預處理工作，這無疑增加了上層控制器的負擔。另外，傳感器的模擬信號傳輸時只能使用單獨的信號線，這會造成現(xiàn)場布線的復雜和成本的上升。特別是隨著工業(yè)生產(chǎn)和控制技術(shù)的發(fā)展，被控制對象中需要的測控點和測控參數(shù)越來越多，自動測控系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，復雜程度、測控精度和可靠性要求不斷提高，現(xiàn)場使用的傳感器數(shù)量和類型也不斷增加，傳統(tǒng)模擬量輸出的傳感器更難以滿足復雜系統(tǒng)的要求。

針對傳統(tǒng)差動變壓器式位移傳感器遇到的問題，本文通過ADμC845微控制器對傳統(tǒng)傳感器進行改造，充分利用其豐富的軟、硬件資源，結(jié)合一定的補償算法對傳感器的線性度和溫度漂移進行修正，以提高傳感器的性能指標。同時選用RTL8019AS網(wǎng)絡控制芯片，針對差動變壓器式位移傳感器特點構(gòu)建精簡的TCP/IP協(xié)議，以便位移傳感器能夠進行以太網(wǎng)通信，從而為構(gòu)建現(xiàn)場總線工業(yè)控制系統(tǒng)做鋪墊。

1 網(wǎng)絡化智能位移傳感器系統(tǒng)構(gòu)成

完整的基于以太網(wǎng)的智能位移傳感器系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由差動變壓器式位移傳感器及其信號調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換及電平轉(zhuǎn)換電路、以太網(wǎng)通信電路等組成。通過差動變壓器式位移傳感器，將位移變化量轉(zhuǎn)換成電壓量，經(jīng)調(diào)理電路輸出標準電壓信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換和濾波后送入單片機。利用事先標定的數(shù)據(jù)，設計傳感器非線性補償算法和溫度補償算法，輸出高精度的位移量。處理過后的位移量，經(jīng)以太網(wǎng)通信接口送入上位機作進一步的處理。為了使傳感器適應原有傳統(tǒng)測控裝置，系統(tǒng)通過增加數(shù)模轉(zhuǎn)換器及電平轉(zhuǎn)換電路，把輸出的位移量調(diào)理成精度更高電壓或電流信號輸出。

2 網(wǎng)絡化智能傳感器節(jié)點硬件設計

圖1 網(wǎng)絡化智能傳感器系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖

從圖1系統(tǒng)原理框圖中可以看出，硬件設計的主要部分是單片機及其模數(shù)信號相互轉(zhuǎn)換，以及以太網(wǎng)通信部分。

2.1 微控制器模塊

基于傳感器節(jié)點成本和電路板尺寸考慮，選用ADμC845芯片作為主控制器。微控制器內(nèi)部集成2個獨立的24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主轉(zhuǎn)換器帶輸入緩沖器和程控增益放大器；62KB片內(nèi)閃速/電擦除程序存儲器，4KB片內(nèi)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器；2304B片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM；12位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器；雙16位Σ-Δ DAC/PWM；片內(nèi)集成溫度傳感器。這些單片機資源，降低了節(jié)點成本，并簡化了系統(tǒng)設計的復雜性。

2.2 以太網(wǎng)卡控制器模塊

以太網(wǎng)卡芯片選用臺灣Realtek公司生產(chǎn)的高度集成的全雙工的以太網(wǎng)接口控制芯片RTL8019AS，它以優(yōu)良的性能和低廉的價格在網(wǎng)卡市場中占有相當?shù)谋壤＜嫒軳E2000和IEEE802.3 LAN接口（10BASE5，10BASE2，10BASET）， 全雙工 10Mbit/s通信速率， 兼容 8位或16位數(shù)據(jù)總線，片上有16Kbytes緩存，輔以相應網(wǎng)絡濾波器芯片，完全可以滿足網(wǎng)絡通信需要。其接口電路如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)卡控制器模塊接口電路

單片機的數(shù)據(jù)總線與RTL8019AS的SD0-SD7口相連，用于8位數(shù)據(jù)交換。地址線A0-A4與RTL8019AS的SA0-SA4地址線相連，用于訪問不同的寄存器。RD、WR分別為讀、寫信號，RST用于RTL8019AS的復位操作，AEN接地，使地址信號有效。INT0為中斷，用于通知微控制器讀取RTL8019AS的緩沖中數(shù)據(jù)。JP接高電平，使RTL8019AS工作于跳線方式。RTL8019AS通過網(wǎng)絡濾波器芯片連接RJ45接頭，用于連接到以太網(wǎng)。

3 單片機軟件設計

單片機程序主要包括單片機和RTL8019AS芯片的復位和初始化程序、以太網(wǎng)通信程序、非線性補償算法和溫度補償算法等，其主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.1 以太網(wǎng)通信程序

實現(xiàn)網(wǎng)絡接口的方式一般有兩種：軟件方式和硬件方式。軟件方式是用戶將TCP/IP協(xié)議嵌入到特定的芯片中，這種方法的優(yōu)點是成本低，但實現(xiàn)較難；硬件方式是直接使用已經(jīng)嵌入了TCP/IP協(xié)議的芯片，這種方法操作簡單方便，但成本過高。本文采用的是將以太網(wǎng)協(xié)議和TCP/IP協(xié)議寫入到單片機中，用單片機驅(qū)動RTL8019AS網(wǎng)絡芯片。

根據(jù)OSI七層網(wǎng)絡模型理論[3]，物理層的作用是提供相鄰設備的比特流傳輸，使用RJ45接口將傳感器連入網(wǎng)絡；數(shù)據(jù)鏈路層負責在兩個相鄰的節(jié)點間的線路上無差錯地傳送以幀為單位的數(shù)據(jù)，采用IEEE802.3標準的以太網(wǎng)協(xié)議；網(wǎng)絡層主要負責處理數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中的協(xié)議封裝，該層選用TCP/IP協(xié)議簇中的核心IP協(xié)議，同時選用ARP協(xié)議實現(xiàn)IP地址到MAC物理地址的轉(zhuǎn)換；傳輸層主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信，選用TCP傳輸層協(xié)議，但針對傳感器節(jié)點進行簡化以適應嵌入式要求；應用層負責處理特定的應用程序細節(jié)，根據(jù)實際應用作針對性的開發(fā)。

網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時，要對處理的數(shù)據(jù)進行打包或解包。其中數(shù)據(jù)打包過程如下：在等發(fā)送數(shù)據(jù)前后加上相應的應用層協(xié)議內(nèi)容形成應用層數(shù)據(jù)包；在應用層數(shù)據(jù)包前加上TCP協(xié)議對應的幀頭形成TCP數(shù)據(jù)幀；在TCP數(shù)據(jù)幀前加上IP協(xié)議頭形成IP數(shù)據(jù)幀；在IP數(shù)據(jù)幀前后加上IEEE802.3局域網(wǎng)的MAC幀格式形成最后的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，將此數(shù)據(jù)包交給RTL8019AS芯片發(fā)送。

當單片機要向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令，RTL8019AS在完成了上一幀的發(fā)送后，再完成此幀信息的發(fā)送。RTL8019AS接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)，收滿一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知微控制器讀取數(shù)據(jù)，具體的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)過程主要是利用單片機設置RTL8019AS內(nèi)部寄存器來實現(xiàn)的。

3.2 傳感器非線性補償算法[4-5]

差動變壓器輸出電壓經(jīng)過調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量D，由前面分析可知，D可以看作是溫度T和輸入量x的二元函數(shù)，從而導致計算的位移量與實際輸入的位移之間存在誤差。溫度補償任務就是找到數(shù)字量D與溫度T之間的關系，并利用這一關系把溫度對數(shù)字量D的影響去除，使數(shù)字量D成為位移量x的一元函數(shù)。溫度補償過程如下：

（1）標定滿行程溫度漂移實驗數(shù)據(jù)

選用某廠生產(chǎn)的差動變壓器WYDC-100L進行實驗，將差動變壓器的輸入位移量標定為滿行程100mm，然后從常溫一直升溫到85℃，記錄一組實驗數(shù)據(jù)。

（2）建立A/D值變化量與溫度T的關系

以T=25℃時測量得到的數(shù)字量作為基準，根據(jù)步驟（1）標定的實驗數(shù)據(jù)，計算不同溫度相對于25℃時的A/D值變化量ΔDT。

根據(jù)ΔDT數(shù)據(jù)特點，利用適當方法找出A/D值變化量ΔDT與溫度T的關系。

（3）標定25℃時輸入-輸出特性實驗數(shù)據(jù)

在25℃條件下，每隔10mm對傳感器測量一次，記錄一組實驗數(shù)據(jù)。

（4）輸入-輸出反非線性特性補償處理

如前所述，傳感器的輸出-輸入之間存在一定的非線性，需要進行非線性補償。利用步驟（2）標定的實驗數(shù)據(jù)，通過多項式擬合法，編寫反非線性特性曲線擬合算法，可以使用輸出位移量與標定位移量完全成直線。

（5）根據(jù)實測數(shù)字量DT和溫度T計算輸出位移量。

3.3 傳感器溫度補償算法[6]

采用分段線性插值法進行溫度補償，其示意圖如圖4所示，補償過程如下：

圖4 分段線性插值溫度補償示意圖

（1）不同溫度輸入-輸出特性非線性補償

根據(jù)3.2節(jié)所述方法，對不同溫度下的輸入-輸出特性進行非線性補償，得到不同溫度輸入-輸出反非線性特性曲線的擬合多項式方程：

（2）根據(jù)實測溫度T和數(shù)字量D計算輸出位移量

圖3中虛線表示的是不同溫度下經(jīng)非線性補償過后的輸入-輸出反非線性特性曲線。假設實測溫度T滿足T1

4 結(jié)論

網(wǎng)絡化智能化傳感器是工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢，文中設計的網(wǎng)絡化智能化位移傳感器及其網(wǎng)絡接口，已經(jīng)在傳感器性能測試系統(tǒng)中得到成功應用。實踐表明，該設備運行穩(wěn)定可靠。

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