基于以太網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，可實現無接觸測量，受外界測量環境影響小等優點[1-2]。

差動變壓器式位移傳感器通過把被測位移量變化轉換成線圈互感變化，再經過調理電路輸出電壓或電流，實現位移測量。由于兩個次級繞組線圈電氣參數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生溫度漂移。

傳統的差動變壓器式位移傳感器輸出為模擬的電壓或電流，由此構建的控制系統中，計算機事先把所有傳感器的模擬信號轉換成數字信號，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，這會造成現場布線的復雜和成本的上升。特別是隨著工業生產和控制技術的發展，被控制對象中需要的測控點和測控參數越來越多，自動測控系統規模不斷擴大，復雜程度、測控精度和可靠性要求不斷提高，現場使用的傳感器數量和類型也不斷增加，傳統模擬量輸出的傳感器更難以滿足復雜系統的要求。

針對傳統差動變壓器式位移傳感器遇到的問題，本文通過ADμC845微控制器對傳統傳感器進行改造，充分利用其豐富的軟、硬件資源，結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網絡控制芯片，針對差動變壓器式位移傳感器特點構建精簡的TCP/IP協議，以便位移傳感器能夠進行以太網通信，從而為構建現場總線工業控制系統做鋪墊。

1 網絡化智能位移傳感器系統構成

完整的基于以太網的智能位移傳感器系統構成如圖1所示，整個系統主要由差動變壓器式位移傳感器及其信號調理模數轉換電路、微控制器、數模轉換及電平轉換電路、以太網通信電路等組成。通過差動變壓器式位移傳感器，將位移變化量轉換成電壓量，經調理電路輸出標準電壓信號，通過模數轉換和濾波后送入單片機。利用事先標定的數據，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，經以太網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測控裝置，系統通過增加數模轉換器及電平轉換電路，把輸出的位移量調理成精度更高電壓或電流信號輸出。

2 網絡化智能傳感器節點硬件設計

圖1 網絡化智能傳感器系統構成原理框圖

從圖1系統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信號相互轉換，以及以太網通信部分。

2.1 微控制器模塊

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

2.2 以太網卡控制器模塊

以太網卡芯片選用臺灣Realtek公司生產的高度集成的全雙工的以太網接口控制芯片RTL8019AS，它以優良的性能和低廉的價格在網卡市場中占有相當的比例。兼容NE2000和IEEE802.3 LAN接口（10BASE5，10BASE2，10BASET）， 全雙工 10Mbit/s通信速率， 兼容 8位或16位數據總線，片上有16Kbytes緩存，輔以相應網絡濾波器芯片，完全可以滿足網絡通信需要。其接口電路如圖2所示。

圖2 以太網卡控制器模塊接口電路

單片機的數據總線與RTL8019AS的SD0-SD7口相連，用于8位數據交換。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的緩沖中數據。JP接高電平，使RTL8019AS工作于跳線方式。RTL8019AS通過網絡濾波器芯片連接RJ45接頭，用于連接到以太網。

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 以太網通信程序

實現網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協議嵌入到特定的芯片中，這種方法的優點是成本低，但實現較難；硬件方式是直接使用已經嵌入了TCP/IP協議的芯片，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協議和TCP/IP協議寫入到單片機中，用單片機驅動RTL8019AS網絡芯片。

根據OSI七層網絡模型理論[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絡；數據鏈路層負責在兩個相鄰的節點間的線路上無差錯地傳送以幀為單位的數據，采用IEEE802.3標準的以太網協議；網絡層主要負責處理數據包在網絡中的協議封裝，該層選用TCP/IP協議簇中的核心IP協議，同時選用ARP協議實現IP地址到MAC物理地址的轉換；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傳輸層協議，但針對傳感器節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，根據實際應用作針對性的開發。

網絡數據發送或接收時，要對處理的數據進行打包或解包。其中數據打包過程如下：在等發送數據前后加上相應的應用層協議內容形成應用層數據包；在應用層數據包前加上TCP協議對應的幀頭形成TCP數據幀；在TCP數據幀前加上IP協議頭形成IP數據幀；在IP數據幀前后加上IEEE802.3局域網的MAC幀格式形成最后的網絡數據包，將此數據包交給RTL8019AS芯片發送。

當單片機要向網上發送數據時，先將一幀數據通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發送緩存區，然后發出傳送命令，RTL8019AS在完成了上一幀的發送后，再完成此幀信息的發送。RTL8019AS接收到的數據通過MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區，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據，具體的發送和接收數據過程主要是利用單片機設置RTL8019AS內部寄存器來實現的。

3.2 傳感器非線性補償算法[4-5]

差動變壓器輸出電壓經過調理電路和A/D轉換后得到數字量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，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字量D與溫度T之間的關系，并利用這一關系把溫度對數字量D的影響去除，使數字量D成為位移量x的一元函數。溫度補償過程如下：

（1）標定滿行程溫度漂移實驗數據

選用某廠生產的差動變壓器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℃，記錄一組實驗數據。

（2）建立A/D值變化量與溫度T的關系

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

根據ΔDT數據特點，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-輸出特性實驗數據

在25℃條件下，每隔10mm對傳感器測量一次，記錄一組實驗數據。

（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）標定的實驗數據，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）根據實測數字量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3.2節所述方法，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）根據實測溫度T和數字量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 結論

網絡化智能化傳感器是工業控制系統發展的重要趨勢，文中設計的網絡化智能化位移傳感器及其網絡接口，已經在傳感器性能測試系統中得到成功應用。實踐表明，該設備運行穩定可靠。

［1］賈伯年，俞樸，宋愛國.傳感器技術[M].3 版.南京：東南大學出版社，2007：79-86.

［2］譚定忠.傳感器與測試技術[M].北京：中央廣播電視大學出版社，2002：112-118.

［3］柏受軍，郎朗，尹成竹.基于ADμC845的高精度差動變壓器變送器設計[J].安徽工程大學學報，2013（9）：47-50.

［4］王常力，羅安.分布式控制系統(DCS)設計與應用實例[M].2版.北京：電子工業出版社，2010：312-351.

［5］柏受軍，楊元園，王鳴，等.基于ADμC845的LVDT位移傳感器非線性補償[J].傳感技術學報，2013（4）：541-544.

［6］柏受軍，王其昭，姚立立，等.差動變壓器的溫度補償方法研究[J].巢湖學院學報，2013（6）：76-80.