基于STM32的無線光電傳感器設計

陸萬田， 王 崴， 劉曉衛， 徐曉東

(空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安 710051)

0 引 言

隨著現代制造業的發展，大型構件吊裝在工程上的應用越來越多，如雷達天線、風力發電機、飛機裝配等。大型構件和設備吊裝技術分為整體吊裝、綜合整體吊裝和散件吊裝三種情況,大型構件吊裝的前提是確保作業的安全性和準確性。大型構件在吊裝過程中，不確定因素非常多，例如:碰撞、吊裝錯位等，吊裝人員一旦出現操作上的細微失誤，對吊裝件損傷和吊裝人員的生命安全都會造成極大的威脅。因此，對大型構件吊裝過程進行精確監控和預警在工程上具有十分重要的意義。

iGPS是美國Metris公司在開發的一種類似GPS定位系統的大尺寸測量系統。該系統采用室內激光發射器代替衛星的作用[1,2]，利用高速旋轉的激光發射器代替衛星發射器，每個激光發射器可發射出2個激光平面對空間進行掃描，然后通過光電傳感器進行信號接收并進行相應算法的處理即可獲得所測量物體的坐標值。其坐標測量采用了類似于GPS解算方程組的思想，測量精度可達0.2 mm，可以滿足大型構件吊裝的精度要求。因此，應用iGPS監控吊裝過程可以大大提高吊裝的準確度與安全性。iGPS自帶的光電傳感器需要通過有線方式連接到工業控制計算機，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，開發一種無線光電傳感器，對提高iGPS在吊裝過程中的實用性和提高吊裝過程的準確度、安全性都具有非常重要的意義。

1 無線傳感器總體設計

1.1 無線光電傳感器

基于STM32F103的無線光電傳感器采用現代無線通信技術，可以不受距離的約束，將采集的激光信號實時發送到上位機進行處理。該無線光電傳感器由傳感器、信號處理電路、MCU、無線發送模塊等組成,結構見圖1。傳感器將接收到的激光信號轉換成為電流量，通過信號處理電路將微弱的傳感器電流量轉換成為可供STM32F103采集的信號，然后再通過數傳模塊將采集到的信號發送至上位機。

圖1 無線光電傳感器結構

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，是一種大面積的PN結。當光照射時，使其電子發射躍遷，成為自由的電子在PN結兩端聚集產生電勢差,通過接通PN結兩端在電勢差的驅動下，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、光面均勻穩定等優點。

1.3 微處理器

微處理器采用ST公司生產的STM32F103ZET6芯片，STM32F103增強型單片機基于高性能的ARMCortex-M3(32位的RISC內核)[4]，是一個低功耗的處理器，具有門數少、中斷延遲小、高度容易等特點[5],其AD采集頻率最高可達1 MHz，滿足iGPS數據處理要求。

1.4 無線數傳芯片

無線數值芯片采用nRF24L01，該芯片采用2.4～2.5 GHz ISM頻段[6]，支持多點通信，最高傳輸速率可以達到2 Mbps，滿足傳感器對實時性的要求。nRF24L01采用SPI接口與MCU間進行通信時，只需要6個引腳配置即可完整的實現nRF24L01的工作模式、狀態控制，即SCK，MISO，MOSI，CE，CSN，IRQ 6個引腳，分別對應主控芯片的PB13，PB14，PB15，PG6，PG7，PG8等6個IO口。

2 硬件電路設計

2.1 前端處理電路

硅光電池的信號比較微弱，必須經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、低通濾波以及末級放大等模塊組成。

硅光電池輸出的是電流信號，前置放大電路應先將電流量轉換成為電壓量再進行相應處理，前置放大模塊見圖2,輸出電壓值Uo=-Ri。根據信號采集要求，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受到電磁干擾、環境以及溫度溫度的影響，信號底噪大，信噪比差，因此，采用兩塊硅光電池進行差分補償，即使用減法器對兩路硅光電池信號進行相減，有效地減少環境中的大部分干擾。差分補償電路見圖3。

圖3 差分補償電路

經過差分補償電路后，信號還存在少量高頻噪聲。貝塞爾濾波器(Bessel filter)通帶內延時特性最平坦，相位特性好，缺點是截止特性差，阻帶衰減較緩慢。由于對輸出信號波形保真有嚴格要求，而頻率截止性可以通過增加濾波器的階數來彌補。根據有關濾波器設計方法，考慮到貝塞爾濾波器截止性差的缺點。選用了2個常用的二階壓控電壓源(VCVS)電路串聯組成四階的貝塞爾濾波器電路結構見圖4。根據有源濾波器的快速設計手冊[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,在末級放大時應將信號放大3.3倍。末級放大電路見圖5。

圖5 末級放大電路

2.2 微處理器電路

微處理電路包括電源模塊、復位電路、晶振電路等，是主控模塊工作的最小系統。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電壓和為部分外設提供5 V電壓。

3 軟件設計

3.1 AD采集

STM32F103ZET6內部集成了3個12位逐次逼近型的A/D轉換器，其最高采集頻率為1 MHz，即進行一次A/D轉換只需要1 μs,詳細設置步驟如圖6。

圖6 A/D轉換設置步驟

3.2 nRF24L01的配置

nRF24L01可以設置為五種工作模式： 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，配置內容詳見表1。2)清除狀態標志位。3)寫CONFIG寄存器，0x0e為發送模式，0x0f為接收模式。發送模式下裝載數據后寫CONFIG寄存器并置CE為高并延時10 μs；接收模式下寫CONFIG寄存器并置CE為高并延時至少130 μs。4)IRQ中斷信號來臨后進行相應處理，進入下一個循環。IRQ 引腳會在以下三種情況變低：Tx FIFO 發完并且收到ACK(使能ACK 情況下)；Rx FIFO 收到數據；達到最大重發次數。將IRQ 接到外部中斷輸入引腳，在遇到上述三種情況時，IRQ 引腳變低，MCU通過中斷對數據進行處理。

表1 nRF24L01配置步驟

3.3 MCU軟件

系統上電后，初始化MCU；初始化nRF24L01，包括寫發送地址(本地地址)及數據寬度、設置通道頻率、使能自動重發、設置自動重發次數、使能接收等；初始化A/D轉換相關參數。初始化結束后系統進入循環運行模式，首先采集A/D信號，使能nRF發送，如發送成功則進入下一次循環，發送不成功則進入自動重發，自動重發失敗與成功都進入下一次循環，流程如圖7。

圖7 主控芯片流程圖

4 實驗驗證

為驗證本設計的無線光電傳感器的實用性與準確性，用一個激光平面發射器對設計的無線光電傳感器進行測試，激光器轉速為3 000 r/min，即激光掃描頻率為50 Hz。

經過測試發現，AD采集與無線發送數據速度可達10 μs，即采集頻率可高達100 kHz，無線發送模塊nRF24L01在沒有大型障礙物遮擋情況下發送距離可達50 m，外接增益天線后可具有一定的穿越障礙能力，可以滿足吊裝場合要求。測量距離與誤差分析見圖8，測量距離為4 m時最小可達0.25 mm，隨后測量誤差附著距離增大而增大，測量距離在11 m時測量誤差為0.35 mm。這是因為當距離增大時，激光由于發散導致系統精度降低。

圖8 測量距離與誤差分析圖

5 結 論

本文設計了基于STM32的無線光電傳感器，利用硅光電池將激光信號轉換為電流量，然后通過信號調整電路將其調整為可供采集的電壓信號，利用STM32內部集成的A/D轉換器采集并通過nRF24L01發送。通過測試發現，該無線光電傳感器采集、發送數據周期最短可達10 μs，即采集頻率可高達100 kHz，同時在外接增益天線后的nRF24L01的穿越障礙、發送距離以及誤差等參數均滿足吊裝場合要求。

參考文獻:

[1] Arc Second,Inc.Constellation-3D error budget and specifica-tion[R/OL].White paper 063102,[2002—01—10].http:∥www.arcsecond.com/PDFs/wp_Error_Budget.pdf.

[2] Arc Second,Inc.Constellation-3D indoor GPS for metrology[R/OL].White paper 071502,[2002—01—11].http:∥www1.cs.columbia.edu/～drexel/CandExam/ARCSecond_Indoor_GPS_Technology_for_Metrology.pdf.

[3] 喬勇惠.光電傳感器原理及應用[J].可編程控制器與工廠自動化,2008(5):103-106.

[4] 李 娜，牛曉飛，許海峰,等.基于STM32的智能家居無線激光報警系統[J].激光雜志,2013,34(5):60-62.

[5] 袁開鴻，魏麗君，唐冬梅.基于STM32平臺的CAN總線車載式漏電流數字傳感器[J].傳感器與微系統,2014,33(3):118-124.

[6] 趙 軒，馬 建，曹仁磊,等.基于 nRF24L01 的無線式模型車運動狀態監控系統[J].科技導報，2010，28(2)：63-66.

[7] Johnson D E,Hilburn J L.有源濾波器的快速實用設計[M].北京：人民郵電出版社,1980:171-196.