陸萬田， 王 崴， 劉曉衛(wèi)， 徐曉東

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051)

0 引 言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，大型構(gòu)件吊裝在工程上的應(yīng)用越來越多，如雷達(dá)天線、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、飛機(jī)裝配等。大型構(gòu)件和設(shè)備吊裝技術(shù)分為整體吊裝、綜合整體吊裝和散件吊裝三種情況,大型構(gòu)件吊裝的前提是確保作業(yè)的安全性和準(zhǔn)確性。大型構(gòu)件在吊裝過程中，不確定因素非常多，例如:碰撞、吊裝錯(cuò)位等，吊裝人員一旦出現(xiàn)操作上的細(xì)微失誤，對(duì)吊裝件損傷和吊裝人員的生命安全都會(huì)造成極大的威脅。因此，對(duì)大型構(gòu)件吊裝過程進(jìn)行精確監(jiān)控和預(yù)警在工程上具有十分重要的意義。

iGPS是美國Metris公司在開發(fā)的一種類似GPS定位系統(tǒng)的大尺寸測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用室內(nèi)激光發(fā)射器代替衛(wèi)星的作用[1,2]，利用高速旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射器代替衛(wèi)星發(fā)射器，每個(gè)激光發(fā)射器可發(fā)射出2個(gè)激光平面對(duì)空間進(jìn)行掃描，然后通過光電傳感器進(jìn)行信號(hào)接收并進(jìn)行相應(yīng)算法的處理即可獲得所測(cè)量物體的坐標(biāo)值。其坐標(biāo)測(cè)量采用了類似于GPS解算方程組的思想，測(cè)量精度可達(dá)0.2 mm，可以滿足大型構(gòu)件吊裝的精度要求。因此，應(yīng)用iGPS監(jiān)控吊裝過程可以大大提高吊裝的準(zhǔn)確度與安全性。iGPS自帶的光電傳感器需要通過有線方式連接到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，由于吊裝過程的特性，有線連接方式的光電傳感器并不適合于吊裝過程。因此，開發(fā)一種無線光電傳感器，對(duì)提高iGPS在吊裝過程中的實(shí)用性和提高吊裝過程的準(zhǔn)確度、安全性都具有非常重要的意義。

1 無線傳感器總體設(shè)計(jì)

1.1 無線光電傳感器

基于STM32F103的無線光電傳感器采用現(xiàn)代無線通信技術(shù)，可以不受距離的約束，將采集的激光信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理。該無線光電傳感器由傳感器、信號(hào)處理電路、MCU、無線發(fā)送模塊等組成,結(jié)構(gòu)見圖1。傳感器將接收到的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電流量，通過信號(hào)處理電路將微弱的傳感器電流量轉(zhuǎn)換成為可供STM32F103采集的信號(hào)，然后再通過數(shù)傳模塊將采集到的信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)。

圖1 無線光電傳感器結(jié)構(gòu)

1.2 傳感器

傳感器部分采用的是硅光電池，硅光電池基于光生伏特效應(yīng)，是一種大面積的PN結(jié)。當(dāng)光照射時(shí)，使其電子發(fā)射躍遷，成為自由的電子在PN結(jié)兩端聚集產(chǎn)生電勢(shì)差,通過接通PN結(jié)兩端在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下，將有電流輸出[3]。

本文選擇了德國Pacific Silicon Sensor公司的PC50—6型硅光電池作為的傳感器部件,其具有噪聲低、頻率特性好、型面精度高、光面均勻穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 微處理器

微處理器采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6芯片，STM32F103增強(qiáng)型單片機(jī)基于高性能的ARMCortex-M3(32位的RISC內(nèi)核)[4]，是一個(gè)低功耗的處理器，具有門數(shù)少、中斷延遲小、高度容易等特點(diǎn)[5],其AD采集頻率最高可達(dá)1 MHz，滿足iGPS數(shù)據(jù)處理要求。

1.4 無線數(shù)傳芯片

無線數(shù)值芯片采用nRF24L01，該芯片采用2.4～2.5 GHz ISM頻段[6]，支持多點(diǎn)通信，最高傳輸速率可以達(dá)到2 Mbps，滿足傳感器對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。nRF24L01采用SPI接口與MCU間進(jìn)行通信時(shí)，只需要6個(gè)引腳配置即可完整的實(shí)現(xiàn)nRF24L01的工作模式、狀態(tài)控制，即SCK，MISO，MOSI，CE，CSN，IRQ 6個(gè)引腳，分別對(duì)應(yīng)主控芯片的PB13，PB14，PB15，PG6，PG7，PG8等6個(gè)IO口。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 前端處理電路

硅光電池的信號(hào)比較微弱，必須經(jīng)過前端處理電路的處理后才能供MCU采集。前端處理電路包括前置放大、差分減法、低通濾波以及末級(jí)放大等模塊組成。

硅光電池輸出的是電流信號(hào)，前置放大電路應(yīng)先將電流量轉(zhuǎn)換成為電壓量再進(jìn)行相應(yīng)處理，前置放大模塊見圖2,輸出電壓值Uo=-Ri。根據(jù)信號(hào)采集要求，前置放大電路輸出的電壓量為0～1 V。

圖2 前置放大電路

由于硅光電池的輸出信號(hào)受到電磁干擾、環(huán)境以及溫度溫度的影響，信號(hào)底噪大，信噪比差，因此，采用兩塊硅光電池進(jìn)行差分補(bǔ)償，即使用減法器對(duì)兩路硅光電池信號(hào)進(jìn)行相減，有效地減少環(huán)境中的大部分干擾。差分補(bǔ)償電路見圖3。

圖3 差分補(bǔ)償電路

經(jīng)過差分補(bǔ)償電路后，信號(hào)還存在少量高頻噪聲。貝塞爾濾波器(Bessel filter)通帶內(nèi)延時(shí)特性最平坦，相位特性好，缺點(diǎn)是截止特性差，阻帶衰減較緩慢。由于對(duì)輸出信號(hào)波形保真有嚴(yán)格要求，而頻率截止性可以通過增加濾波器的階數(shù)來彌補(bǔ)。根據(jù)有關(guān)濾波器設(shè)計(jì)方法，考慮到貝塞爾濾波器截止性差的缺點(diǎn)。選用了2個(gè)常用的二階壓控電壓源(VCVS)電路串聯(lián)組成四階的貝塞爾濾波器電路結(jié)構(gòu)見圖4。根據(jù)有源濾波器的快速設(shè)計(jì)手冊(cè)[7]，查表求得電阻值R1=0.55 kΩ，R2=2 kΩ，R3=R4=5.1 kΩ，R5=820 Ω，R6=11 kΩ，R7開路，R8短路；電容值C1=C2=C3=0.001 μF，C4=0.000 1 μF。

圖4 低通濾波器

STM32F103ZET6的AD采集參考電壓為3.3 V，因此,在末級(jí)放大時(shí)應(yīng)將信號(hào)放大3.3倍。末級(jí)放大電路見圖5。

圖5 末級(jí)放大電路

2.2 微處理器電路

微處理電路包括電源模塊、復(fù)位電路、晶振電路等，是主控模塊工作的最小系統(tǒng)。電源模塊采用LM1117—3.3和LM1117—5.0芯片，為主控芯片提供3.3 V電壓和為部分外設(shè)提供5 V電壓。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 AD采集

STM32F103ZET6內(nèi)部集成了3個(gè)12位逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，其最高采集頻率為1 MHz，即進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換只需要1 μs,詳細(xì)設(shè)置步驟如圖6。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置步驟

3.2 nRF24L01的配置

nRF24L01可以設(shè)置為五種工作模式： Power Down Mode；Tx Mode；Rx Mode；Standby-1Mode；Standby-2 Mode。使用過程中最為常用的模式為Tx Mode和Rx Mode兩種，即發(fā)送與接收模式，故在此只介紹這兩種工作模式的配置方法。

nRF24L01使用步驟如下：

1)配置nRF24L01，配置內(nèi)容詳見表1。2)清除狀態(tài)標(biāo)志位。3)寫CONFIG寄存器，0x0e為發(fā)送模式，0x0f為接收模式。發(fā)送模式下裝載數(shù)據(jù)后寫CONFIG寄存器并置CE為高并延時(shí)10 μs；接收模式下寫CONFIG寄存器并置CE為高并延時(shí)至少130 μs。4)IRQ中斷信號(hào)來臨后進(jìn)行相應(yīng)處理，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。IRQ 引腳會(huì)在以下三種情況變低：Tx FIFO 發(fā)完并且收到ACK(使能ACK 情況下)；Rx FIFO 收到數(shù)據(jù)；達(dá)到最大重發(fā)次數(shù)。將IRQ 接到外部中斷輸入引腳，在遇到上述三種情況時(shí)，IRQ 引腳變低，MCU通過中斷對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

表1 nRF24L01配置步驟

3.3 MCU軟件

系統(tǒng)上電后，初始化MCU；初始化nRF24L01，包括寫發(fā)送地址(本地地址)及數(shù)據(jù)寬度、設(shè)置通道頻率、使能自動(dòng)重發(fā)、設(shè)置自動(dòng)重發(fā)次數(shù)、使能接收等；初始化A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)參數(shù)。初始化結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)運(yùn)行模式，首先采集A/D信號(hào)，使能nRF發(fā)送，如發(fā)送成功則進(jìn)入下一次循環(huán)，發(fā)送不成功則進(jìn)入自動(dòng)重發(fā)，自動(dòng)重發(fā)失敗與成功都進(jìn)入下一次循環(huán)，流程如圖7。

圖7 主控芯片流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的無線光電傳感器的實(shí)用性與準(zhǔn)確性，用一個(gè)激光平面發(fā)射器對(duì)設(shè)計(jì)的無線光電傳感器進(jìn)行測(cè)試，激光器轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，即激光掃描頻率為50 Hz。

經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，AD采集與無線發(fā)送數(shù)據(jù)速度可達(dá)10 μs，即采集頻率可高達(dá)100 kHz，無線發(fā)送模塊nRF24L01在沒有大型障礙物遮擋情況下發(fā)送距離可達(dá)50 m，外接增益天線后可具有一定的穿越障礙能力，可以滿足吊裝場(chǎng)合要求。測(cè)量距離與誤差分析見圖8，測(cè)量距離為4 m時(shí)最小可達(dá)0.25 mm，隨后測(cè)量誤差附著距離增大而增大，測(cè)量距離在11 m時(shí)測(cè)量誤差為0.35 mm。這是因?yàn)楫?dāng)距離增大時(shí)，激光由于發(fā)散導(dǎo)致系統(tǒng)精度降低。

圖8 測(cè)量距離與誤差分析圖

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于STM32的無線光電傳感器，利用硅光電池將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流量，然后通過信號(hào)調(diào)整電路將其調(diào)整為可供采集的電壓信號(hào)，利用STM32內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器采集并通過nRF24L01發(fā)送。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該無線光電傳感器采集、發(fā)送數(shù)據(jù)周期最短可達(dá)10 μs，即采集頻率可高達(dá)100 kHz，同時(shí)在外接增益天線后的nRF24L01的穿越障礙、發(fā)送距離以及誤差等參數(shù)均滿足吊裝場(chǎng)合要求。

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