王愛軍，李 昆，何小妹

（中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所 北京　100095）

基于LabVIEW的雙軸傾角測量系統(tǒng)設(shè)計

王愛軍，李 昆，何小妹

（中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所 北京100095）

傾角測量在在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟中凸顯重要，尤其雙軸傾角測量更是應(yīng)用廣泛。文中針對傳統(tǒng)有線測量方式功能的不足，設(shè)計一種基于LabVIEW的雙軸無線測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZEROTRONIC傳感器進行數(shù)據(jù)采集，通過CC1101無線通信模塊對數(shù)據(jù)進行傳輸，利用LabVIEW作為開發(fā)平臺構(gòu)建雙軸傾角測量系統(tǒng)。系統(tǒng)具有對傾角數(shù)據(jù)進行采集、無線傳輸、顯示、分析、存儲、報警等功能。樣機實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效準確的反映傾角的變化，具有一定的應(yīng)用價值。

LabVIEW；傾角測量；CC1101；無線通信

傾角變化是描述物體在動態(tài)環(huán)境下的運動狀態(tài)及特征的重要指標參數(shù)，實時傾角數(shù)據(jù)測量對于目標物的定位和追蹤都起到至關(guān)重要的作用，因此傾角測量無論在國防建設(shè)，還是國民經(jīng)濟中都有廣泛的應(yīng)用［1］。傳統(tǒng)的傾角測量系統(tǒng)常采用有線傳輸模式，該模式下，不僅設(shè)備安裝靈活性差，還經(jīng)常出現(xiàn)纏線等實際問題。且長距離有線傳輸不僅成本高，還容易導(dǎo)致信號衰減嚴重，使得測量誤差較大［2］。為解決上述問題，文中提出一種基于LabVIEW的雙軸無線傾角測量系統(tǒng)，通過ZEROTRONIC傳感器和CC1101的無線單元完成數(shù)據(jù)采集和傳輸，并由低功耗單片機STC90C52作為整個系統(tǒng)的控制單元，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)采集和傳輸過程的控制及數(shù)據(jù)處理。

1　系統(tǒng)組成及原理

基于LabVIEW的雙軸傾角無線測量系統(tǒng)包括上位機和下位機兩部分［2］。上位機即控制中心，由PC機、232串口轉(zhuǎn)換模塊、基于STC90C52的單片機控制模塊和基于CC1101的無線收發(fā)模塊組成；下位機即現(xiàn)場終端，由ZEROTRONIC傾角傳感器、485串口轉(zhuǎn)換模塊、單片機控制模塊、無線收發(fā)模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．1　The block diagram of the system

系統(tǒng)工作過程為：現(xiàn)場終端通過傾角傳感器ZEROTRONIC采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息交由STC90C52單片機進行轉(zhuǎn)換并通過CC1101無線收發(fā)模塊傳回控制中心；控制中心PC前端的無線接收裝置接收信息并通過單片機和接口轉(zhuǎn)換電路后傳輸給PC機，控制中心PC機上的基于LabVIEW測量軟件實時對現(xiàn)場采集到的信息進行相應(yīng)的分析、顯示、存儲和報警等處理，同時也可以利用LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程傾角測量。

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1ZEROTRONIC傾角傳感器

ZEROTRONIC傾角傳感器是由瑞士WYLERAG公司生產(chǎn)的具有單向測量±60°測量量程的高精度傾角傳感器，可在多種環(huán)境條件下(不同溫度、濕度、真空)完成高精度測量，對不穩(wěn)定的物體或低速移動的物體角度或傾斜度測量。

圖2　ZEROTRONIC傾角傳感器實物Fig．2　Angle sensor of ZEROTRONIC

傳感器的安裝位置誤差將直接影響到整個測量系統(tǒng)的精度，因此需要設(shè)計傳感器精密安裝工裝來保證傳感器的安裝位置準確，工裝設(shè)計時不僅要保證傳感器的安裝基準面相互垂直，且與底面也需垂直，如圖3所示，傾角傳感器精密安裝工裝示意圖。

圖3　傳感器精密安裝工裝Fig．3　Install the sensor precision tooling

ZEROTRONIC傾角傳感器采用RS485通信方式，每個傳感器對應(yīng)唯一的地址，最多可同時外接255路傳感器，其輸出引腳如表1所示。

表1　ZEROTRONIC傾角傳感器輸出引腳功能說明Tab.1　Angle sensor output pin function

2.2CC1101無線通信模塊

CC1101芯片是美國德州儀器公司生產(chǎn)的一款低成本、高性能的無線收發(fā)器，是CC1100芯片的升級版本，通過設(shè)置工作頻段可工作在315/433/868/915MHz。CC1101具有數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示、電磁波激發(fā)和無線電喚醒等功能［3］。該芯片的主要參數(shù)操作通過SPI接口控制，由于芯片采用內(nèi)頻率合成器，無需外部濾波器或RF轉(zhuǎn)換，所以外部元器件極少，其典型的433 MHz的應(yīng)用電路如圖4所示，是真正的單片UHF RF收發(fā)器。由于受到天線結(jié)構(gòu)和發(fā)射功率的影響，CC1101的有效傳輸距離只能在500 m范圍內(nèi)［4］，但滿足絕大多數(shù)現(xiàn)場傾角測量需求。

圖4　CC1101芯片的典型應(yīng)用電路Fig．4　The typical application circuit of the chip CC1101

2.3單片機控制模塊

控制單元主要是用來控制CC1101芯片和串口通信，本文采用STC90C52控制器，STC90C52是宏晶科技推出的高性能、低功耗8位基于8051系統(tǒng)的CMOS微控制器，STC90C52的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，可有效緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾［5］。STC90C52具有8 k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，5 k字節(jié)EEPROM和512字節(jié)SRAM，是性價比極高的MCU，基于8051系統(tǒng)的STC90C52MCU原理構(gòu)架框圖如圖5所示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計及實驗

LabVIEW 是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，LabVIEW軟件設(shè)計一般包括前面板和后臺（程序框圖）兩部分，前面板是系統(tǒng)的操作和顯示界面，后臺是系統(tǒng)運行的圖形化程序。系統(tǒng)的前面板主要由登錄頁面、測量系統(tǒng)主界面和數(shù)據(jù)庫操作界面等4部分組成，完成對雙軸傾角數(shù)據(jù)的分析、顯示、記錄、報警等功能。

圖5　基于8051系統(tǒng)的STC90C52MCU原理構(gòu)架框圖Fig．5　The block diagram of the STC90C52MCU system based on the principle of structure 8051

LabVIEW 軟件處理串口通信常采用 ActiveX控件或VISA串行通信節(jié)點，結(jié)合項目實際需求，文中采用了基于VISA的節(jié)點，其各節(jié)點功能說明如表2所示。

表2　VISA串行通信節(jié)點功能說明Tab.2　VISA Serial communication node function

3.1測量系統(tǒng)主界面設(shè)計

測量系統(tǒng)主界面主要完成下位機傳輸過來的傾角信號的分析、顯示、記錄以及報警功能，由于現(xiàn)場終端傳輸過上來的是數(shù)字信號，因此LabVIEW只要完成串口數(shù)據(jù)的讀取和存儲即可?；贚abVIEW的傾角測量系統(tǒng)與相關(guān)程序框圖如圖6～7所示。測量系統(tǒng)主界面主要包括主控界面和參數(shù)配置界面2部分。

圖6　雙軸傾角測量系統(tǒng)主界面Fig．6　The main interface of the biaxial angle measurement system

圖7　雙軸傾角測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取程序Fig．7　Biaxial angle measurement system data read program

3.2樣機系統(tǒng)試驗

為驗證本設(shè)計方案的可行性和試驗樣機性能，不僅開展試驗樣機的研制，還進行了試驗樣機與WYLERAG公司配套手持終端LEVELMETER2000的對比試驗，由于雙軸與單軸的試驗原理一致和試驗條件有限，本試驗只進行了X軸的對比試驗，樣機試驗測試圖如圖8所示。

圖8　樣機試驗測試圖Fig．8　Prototype experimental test

其中，測試結(jié)果如表3所示。

表3　樣機測試試驗對比數(shù)據(jù)表Tab.3　Experimental comparison of prototype testing

測試試驗證明，從表3可以看出基于LabVIEW的傾角測量系統(tǒng)能夠正常完成傾角的測量和顯示功能，而且在顯示數(shù)值位數(shù)方面與手持終端設(shè)備相比有著明顯優(yōu)勢，從多次測量后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，基于LabVIEW的傾角無線測量系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和良好的精度指標。

4　結(jié)　論

設(shè)計的基于LabVIEW雙軸傾角測量系統(tǒng)，經(jīng)過對樣機試驗測試和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)能對X/Y雙軸傾角數(shù)據(jù)進行測量，系統(tǒng)運行穩(wěn)定且測試結(jié)果具有較高的精度，滿足設(shè)計要求。相對于傳統(tǒng)模式下傾角測量系統(tǒng)，文中采用LabVIEW、CC1101和STC90C52使系統(tǒng)整體成本下降，同時可根據(jù)用戶實際測量需要自行增減現(xiàn)場終端，可完成對多軸傾角數(shù)據(jù)的連續(xù)采集和記錄，通過LabVIEW調(diào)取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為后期數(shù)據(jù)分析提供參考，具有一定的工程應(yīng)用價值和經(jīng)濟價值。

［1］付勇杰，丁艷紅，梁義維，等．動態(tài)傾角傳感器及其傳遞特性的研究［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2012（9）:6-8．

［2］黃雙成，李志偉．基于LabVIEW的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］．電子測量技術(shù)，2014（6）:82-84．

［3］劉吉富，王國根，李敏勇．艦艇武器系統(tǒng)平臺水平度測量誤差分析［J］．艦船電子工程，2008（2）:37-39．

［4］楊文，黃文濤．通用自動測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)［J］．工業(yè)控制計算機，2012，25（1）:79－81．

［5］陳序．基于CC1101的風(fēng)速儀無線采集系統(tǒng)［J］．起重運輸機械，2013（3）:99-101．

［6］王顯軍．LabVIEW對串口采樣測量數(shù)據(jù)的處理［J］．電子測量技術(shù)，2014（3）:107-111．

Design of biaxial angle measurement system based on LabVIE

WANG Ai-jun，LI Kun，HE Xiao-mei
（ChangCheng Institute of Metrology&Measurement，Beijing 100095，China）

Angle measurement in national defense construction and the national economy is very important，especially biaxial angle measurement is more widely used，due to the shortage of the traditional functions of measurement，design a wireless measurement system based on double LabVIEW．The system uses the ZEROTRONIC sensor data acquisition，through the CC1101 wireless communication module for data transmission，as a development platform to build the biaxial angle measurement system based on LabVIEW．The system has collected and the angle of data wireless transmission，display，storage，alarm and other functions．The experimental results show that the change of the system，can effectively reflect the angle，and has a certain practical value．

LabVIEW；angle measurementmicrocontroller；CC1101；wireless communication

TN98

A

1674－6236（2016）02-0058-04

2015-05-01稿件編號：201505003

裝備技術(shù)基礎(chǔ)科研合同項目（HK30420141JL11）

王愛軍（1984—），男，河北邯鄲人，碩士，工程師。研究方向：機械設(shè)計與電控產(chǎn)品測試技術(shù)。