基于激光位移传感器的无线通信技术研究
基于激光位移传感器的无线通信技术研究
作者:周春梅;
激光测距传感器广泛应用在工业长度、距离等检测领域中。传统系统通常采用有线电缆方式完成激光位移传感器的数据传输,该传输方式容易受到检测环境的干扰,存在布线复杂以及绕线困难等缺陷,因此,无需布线的无线通信方式成为当前检测领域相关人员分析的重点。而传统系统存在透明传递特性,在无线传输前不能实现传感器位移数据的预操作,导致数据传输偏差高、效率低。激光位移传感器通常应用于测控现场、电源供电以及数据传输过程中,通常采用有线电缆完成数据的传输。受到环境的限制,铺设电缆需要耗费较高的成本,大大降低了传感数据的传输质量。故设计基于激光位移传感器的无线通信系统,实现激光位移传感数据的高效率、高精度传输,具有重要的应用价值。
1 基于激光位移传感器的无线通信技术
1.1 激光位移传感器的介绍
激光位移传感器基于激光三角检测原理实施非接触检测,具有结构简化、检测效率和精度高的优势,广泛应用在工业长度、距离等检测领域中。激光三角检测法在运行过程中,激光发射器通过镜头将激光束射向待测物体,物体反射的激光被激光器镜头中的感光元件采集形成光点,感光元件基于不同感光角度获取不同距离发射的激光对应的光点。数据信号处理器对传感器同待测物体间的距离实施计算过程中,需要全面分析感光角度、激光同感光元件间的距离等因素。激光位移传感器的检测原理图用图描述,能够看出物体位置变化时,光点位置也变化,激光位移传感器基于光点的位置能够检测到待测物体的位移[9]。本文采用来自德国米铱公司的opto NCDT 1700LL 系列激光位移传感器。该传感器数据输出规范是RS 422 串口协议,其采用一根 RS 422转USB 的数据线同电脑通信。
1.2 基于多激光位移传感器的无线通信系统设计
多个激光位移传感器能够检测到多个被测点的位置信息,可以实现复杂检测任务。因此,基于 opto NCDT1700LL 激光传感器,设计多激光位移传感器的无线通信系统,可提升无线通信系统的数据传输率和精确度。
1.2.1 无线通信系统总体结构设计
因为ZigBee 技术是一种短距离、高效率的双向无线通信技术,信息在ZigBee 网络中采用自由路由的途径进行交互,增强了网络信息传递的平稳性。在利用激光位移传感器检测时,采用ZigBee 组网技术,通过大量传感器间的协同运行获取大量的位移数据。本文基于ZigBee 无线技术,设计多激光位移传感器的无线通信系统,实现多路传感数据的同时采集、操作、显示以及传输。设计的无线通信系统结构图。
多激光位移传感器无线通信系统能够对多个opto NCDT 1700LL 激光位移传感器的数据进行采集,RFD 为终端部件,不同的激光位移传感器通过RFD 实现位移数据的无线传递。数据接收端通过协调器FFD 驱动网络,并采集各终端部件获取的位移数据,采用USB 接口同电脑通信,将获取的位移数据反馈给上位机进行分析 。锂电池为系统提供电能,将MAX488 当成数据接口协议,数据接收端通过协调器同上位机端 USB 接口交互信息。
1.2.2 无线通信系统硬件设计
(1)DTD253 模块接口设计。无线通信系统采用的无线通信模块是 DTD253 模块,其依据 ZigBee 规范以及CC2530 芯片设计而成,拥有 250 Kb/s 的传输速率,供电电压取值范围为2.0~3.6 V。由于发送端激光位移传感器的输出以及DTD253 模块的输入电平不同,因此需要通过芯片MAX488 电路完成激光位移传感器输出接口电平到DTD253 模块串口电平的变换,实现激光位移数据的无线通信。MAX488 的串口 422 信号线同激光位移传感器接口连接,MAX488 的 WED 接口和 TXD 接口分别同接口分DTD253 模块的 TX、WE 信号线连接。R?,R+,T?,T+以及GND信号线对应于图3中的1~5号管脚,6~9 号引脚空闲,将 6 号引脚设置成 24 V 的电源管脚,向数据采集节点的稳压模块提供电能,解决了从锂电池端融入电能产生的复杂接线问题。
采用Altium Designer 软件实施 PCB 设计,数据接收端的协调器为新的DTD253 模块,协调器可以采集和传输数据。DTD253B 模块的接口是 TTL 串口,采用 FT232芯片实现串口转USB 接口的转换,实现协调器同电脑端的通信,使得USB 接口向 DTD253 提供电能。FT232R芯 片 的17 管 脚 是 3.1VOUT 引 脚 ,DTD253 模 块 拥 有30 mA以及 25 mA的发射电流和接收电流。通过 FT232芯片的 17 引脚向 DTD 235B 协调器提供 3.1 V电压。
(2)处理器设计。数据处理单元对多个 opto NCDT 1700LL 激光传感器位移数据实施操作。 opto NCDT 1700LL 传感器的最大数据输出频率是 2.5 kHz。本文采用 Atmega1280?16AU AVR单片机,将其当成激光位移传感器无线通信系统的处理器。其处理速度为 16 MHz, FLASH 存储器和 SRAM 存储器的容量分别为 128 KB 和8 KB,模拟输入接口的数量是 16。
1.2.3 无线通信系统检测程序设计
无线传输程序的关键内容是协调器节点程序以及终端节点程序,协调器采用串口向上位机传输字符串,并向终端节点分配网络地址,此时协调器将节点的地址信息反馈给上位机。
终端节点采集激光位移传感器的位移数据,完成数据操作后,向协调器反馈位移数据,协调器向上位机反馈位移数据。采用 IAR Embedded Workbench 系统完成终端节点串口程序的编写,该串口程序可对数据实施操作,基于激光位移传感器的无线通信网络系统中,传输数据前将数据设置成“&x=00.0000mm”的显示格式。
采用轮询任务调度队列方法控制任务调度,通过定时器管理终端节点的数据发送过程。无线通信网络包括两个激光位移传感器终端节点和一个协调器,传输位移数据的时间间隔是2s。
2 实验分析
实验对无线射频开发板进行编程调试,融合本文采用的opto NCDT 1700LL 激光位移传感器和无线通信系统,实施收发数据实验结果能够看出:在激光位移传感器的传输率高于300 Hz 的情况下,传统系统存在较高的掉包率;在激光位移传感器串口波特率为57 500 b/s 的情况下,传统系统的串口通信堵死,不能传输数据,仅能进行每秒收发约20 个的位移数据,远远低于激光位移传感器要求的最高检测频率2.5 kHz。而基于多激光位移传感器的无线通信系统在上述两种情况下,都具有较高的数据传输量和数据输出率,并且不存在掉包和堵死的问题,说明本文无线通信系统能够实现数据的高效率传输。
实验检测4个激光位移传感器的无线通信系统的结构,从中可以看出,固定4个传感器的输出率为 1.14 kHz,通信系统传输的位移数据基本都被上位机接收,不存在丢失问题,系统运行稳定,处理器处理速度符合要求,数据具有较高的无线传输速率。
实验将本文无线通信系统应用到新型机床测头中,在机床主轴中部署激光位移传感器,融合逼近式空芯定位法,实现待测工件几何尺寸检测,检测实物图。其中的激光位移传感器可确保测头的检测精度达到微米级(μm),测头随主轴进行高速旋转,并对待测工件实施动态检测。
本文无线通信系统对待测工件实施检测的结果,可以看出,测头高速旋转时,本文系统检测的工件孔心距数据保持平稳的规律变化,数据传输稳定,总体工件孔心距的检测误差为微米,具有较高的实用性和检测精度。
3 结 语
根据激光位移传感器的数据传输原理,本文设计了基于多激光位移传感器的无线通信系统,实验结果表明,该系统极大地增强了激光位移传感器在检测领域中的应用价值。
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