基于以太网的智能差动变压器式位移传感器研究

王其昭 姚立立 魏宇丹 刘 俊

（1.安徽工程大学电气工程学院，安徽 芜湖241000；2.安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽 芜湖241000）

0 引言

差动变压器式位移传感器是利用差动变压器原理设计制造的。它可以把直线移动的机械量变换为电量的变化，广泛应用于各种位移量的测量或者能够转换为位移的各种物理测量，如伸长、膨胀、应变、压力等。该类传感器具有线性度高、线性范围宽，可实现无接触测量，受外界测量环境影响小等优点[1-2]。

差动变压器式位移传感器通过把被测位移量变化转换成线圈互感变化，再经过调理电路输出电压或电流，实现位移测量。由于两个次级绕组线圈电气参数和几何尺寸不完全对称、磁性材料磁化曲线的非线性以及电源幅值及频率的不稳定等原因，导致输出的电压或电流与位移量之间总是非线性的。同时，由于传感器使用环境温度变化引起线圈铜电阻阻值变化等原因，也会引起激磁电流和输出电流的变化，即造成输出电压或电流的变化而产生温度漂移。

传统的差动变压器式位移传感器输出为模拟的电压或电流，由此构建的控制系统中，计算机事先把所有传感器的模拟信号转换成数字信号，然后进行滤波、量纲变换等相关的预处理工作，这无疑增加了上层控制器的负担。另外，传感器的模拟信号传输时只能使用单独的信号线，这会造成现场布线的复杂和成本的上升。特别是随着工业生产和控制技术的发展，被控制对象中需要的测控点和测控参数越来越多，自动测控系统规模不断扩大，复杂程度、测控精度和可靠性要求不断提高，现场使用的传感器数量和类型也不断增加，传统模拟量输出的传感器更难以满足复杂系统的要求。

针对传统差动变压器式位移传感器遇到的问题，本文通过ADμC845微控制器对传统传感器进行改造，充分利用其丰富的软、硬件资源，结合一定的补偿算法对传感器的线性度和温度漂移进行修正，以提高传感器的性能指标。同时选用RTL8019AS网络控制芯片，针对差动变压器式位移传感器特点构建精简的TCP/IP协议，以便位移传感器能够进行以太网通信，从而为构建现场总线工业控制系统做铺垫。

1 网络化智能位移传感器系统构成

完整的基于以太网的智能位移传感器系统构成如图1所示，整个系统主要由差动变压器式位移传感器及其信号调理模数转换电路、微控制器、数模转换及电平转换电路、以太网通信电路等组成。通过差动变压器式位移传感器，将位移变化量转换成电压量，经调理电路输出标准电压信号，通过模数转换和滤波后送入单片机。利用事先标定的数据，设计传感器非线性补偿算法和温度补偿算法，输出高精度的位移量。处理过后的位移量，经以太网通信接口送入上位机作进一步的处理。为了使传感器适应原有传统测控装置，系统通过增加数模转换器及电平转换电路，把输出的位移量调理成精度更高电压或电流信号输出。

2 网络化智能传感器节点硬件设计

图1 网络化智能传感器系统构成原理框图

从图1系统原理框图中可以看出，硬件设计的主要部分是单片机及其模数信号相互转换，以及以太网通信部分。

2.1 微控制器模块

基于传感器节点成本和电路板尺寸考虑，选用ADμC845芯片作为主控制器。微控制器内部集成2个独立的24位Σ-Δ型模数转换器，主转换器带输入缓冲器和程控增益放大器；62KB片内闪速/电擦除程序存储器，4KB片内闪速/电擦除数据存储器；2304B片内数据RAM；12位电压输出数模转换器；双16位Σ-Δ DAC/PWM；片内集成温度传感器。这些单片机资源，降低了节点成本，并简化了系统设计的复杂性。

2.2 以太网卡控制器模块

以太网卡芯片选用台湾Realtek公司生产的高度集成的全双工的以太网接口控制芯片RTL8019AS，它以优良的性能和低廉的价格在网卡市场中占有相当的比例。兼容NE2000和IEEE802.3 LAN接口（10BASE5，10BASE2，10BASET）， 全双工 10Mbit/s通信速率， 兼容 8位或16位数据总线，片上有16Kbytes缓存，辅以相应网络滤波器芯片，完全可以满足网络通信需要。其接口电路如图2所示。

图2 以太网卡控制器模块接口电路

单片机的数据总线与RTL8019AS的SD0-SD7口相连，用于8位数据交换。地址线A0-A4与RTL8019AS的SA0-SA4地址线相连，用于访问不同的寄存器。RD、WR分别为读、写信号，RST用于RTL8019AS的复位操作，AEN接地，使地址信号有效。INT0为中断，用于通知微控制器读取RTL8019AS的缓冲中数据。JP接高电平，使RTL8019AS工作于跳线方式。RTL8019AS通过网络滤波器芯片连接RJ45接头，用于连接到以太网。

3 单片机软件设计

单片机程序主要包括单片机和RTL8019AS芯片的复位和初始化程序、以太网通信程序、非线性补偿算法和温度补偿算法等，其主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

3.1 以太网通信程序

实现网络接口的方式一般有两种：软件方式和硬件方式。软件方式是用户将TCP/IP协议嵌入到特定的芯片中，这种方法的优点是成本低，但实现较难；硬件方式是直接使用已经嵌入了TCP/IP协议的芯片，这种方法操作简单方便，但成本过高。本文采用的是将以太网协议和TCP/IP协议写入到单片机中，用单片机驱动RTL8019AS网络芯片。

根据OSI七层网络模型理论[3]，物理层的作用是提供相邻设备的比特流传输，使用RJ45接口将传感器连入网络；数据链路层负责在两个相邻的节点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据，采用IEEE802.3标准的以太网协议；网络层主要负责处理数据包在网络中的协议封装，该层选用TCP/IP协议簇中的核心IP协议，同时选用ARP协议实现IP地址到MAC物理地址的转换；传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信，选用TCP传输层协议，但针对传感器节点进行简化以适应嵌入式要求；应用层负责处理特定的应用程序细节，根据实际应用作针对性的开发。

网络数据发送或接收时，要对处理的数据进行打包或解包。其中数据打包过程如下：在等发送数据前后加上相应的应用层协议内容形成应用层数据包；在应用层数据包前加上TCP协议对应的帧头形成TCP数据帧；在TCP数据帧前加上IP协议头形成IP数据帧；在IP数据帧前后加上IEEE802.3局域网的MAC帧格式形成最后的网络数据包，将此数据包交给RTL8019AS芯片发送。

当单片机要向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，然后发出传送命令，RTL8019AS在完成了上一帧的发送后，再完成此帧信息的发送。RTL8019AS接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后，由FIFO存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知微控制器读取数据，具体的发送和接收数据过程主要是利用单片机设置RTL8019AS内部寄存器来实现的。

3.2 传感器非线性补偿算法[4-5]

差动变压器输出电压经过调理电路和A/D转换后得到数字量D，由前面分析可知，D可以看作是温度T和输入量x的二元函数，从而导致计算的位移量与实际输入的位移之间存在误差。温度补偿任务就是找到数字量D与温度T之间的关系，并利用这一关系把温度对数字量D的影响去除，使数字量D成为位移量x的一元函数。温度补偿过程如下：

（1）标定满行程温度漂移实验数据

选用某厂生产的差动变压器WYDC-100L进行实验，将差动变压器的输入位移量标定为满行程100mm，然后从常温一直升温到85℃，记录一组实验数据。

（2）建立A/D值变化量与温度T的关系

以T=25℃时测量得到的数字量作为基准，根据步骤（1）标定的实验数据，计算不同温度相对于25℃时的A/D值变化量ΔDT。

根据ΔDT数据特点，利用适当方法找出A/D值变化量ΔDT与温度T的关系。

（3）标定25℃时输入-输出特性实验数据

在25℃条件下，每隔10mm对传感器测量一次，记录一组实验数据。

（4）输入-输出反非线性特性补偿处理

如前所述，传感器的输出-输入之间存在一定的非线性，需要进行非线性补偿。利用步骤（2）标定的实验数据，通过多项式拟合法，编写反非线性特性曲线拟合算法，可以使用输出位移量与标定位移量完全成直线。

（5）根据实测数字量DT和温度T计算输出位移量。

3.3 传感器温度补偿算法[6]

采用分段线性插值法进行温度补偿，其示意图如图4所示，补偿过程如下：

图4 分段线性插值温度补偿示意图

（1）不同温度输入-输出特性非线性补偿

根据3.2节所述方法，对不同温度下的输入-输出特性进行非线性补偿，得到不同温度输入-输出反非线性特性曲线的拟合多项式方程：

（2）根据实测温度T和数字量D计算输出位移量

图3中虚线表示的是不同温度下经非线性补偿过后的输入-输出反非线性特性曲线。假设实测温度T满足T1

4 结论

网络化智能化传感器是工业控制系统发展的重要趋势，文中设计的网络化智能化位移传感器及其网络接口，已经在传感器性能测试系统中得到成功应用。实践表明，该设备运行稳定可靠。

［1］贾伯年，俞朴，宋爱国.传感器技术[M].3 版.南京：东南大学出版社，2007：79-86.

［2］谭定忠.传感器与测试技术[M].北京：中央广播电视大学出版社，2002：112-118.

［3］柏受军，郎朗，尹成竹.基于ADμC845的高精度差动变压器变送器设计[J].安徽工程大学学报，2013（9）：47-50.

［4］王常力，罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M].2版.北京：电子工业出版社，2010：312-351.

［5］柏受军，杨元园，王鸣，等.基于ADμC845的LVDT位移传感器非线性补偿[J].传感技术学报，2013（4）：541-544.

［6］柏受军，王其昭，姚立立，等.差动变压器的温度补偿方法研究[J].巢湖学院学报，2013（6）：76-80.