基于激光位移传感器的无线通信技术研究
周春梅
摘 要： 传统无线通信系统存在透明传递特性，不能实现传感器位移数据的预操作，数据传输偏差高、效率低等缺陷，为此，设计了基于激光位移传感器的无线通信系统。采用多路传感器同时采集、操作、显示以及传输，采用ZigBee 技术建立无线传感器网络，通过传感器的终端数据采集模块，设计了网络协调器模块同上位机的通信接口，并给出无线通信系统检测程序。实验结果表明，该系统极大地提升了激光位移传感器的使用效率，并且数据无线传输的实时性和准确率都较高。
关键词： 激光位移传感器； 无线通信； 通信接口； 数据采集
中图分类号： TN95?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0025?03
Research on wireless communication technology based on laser displacement sensor
ZHOU Chunmei
（School of Electronic and Information Engineering， Sichuan Technology and Business University， Chengdu 611745， China）
Abstract： The traditional wireless communication system exists the transparent transmission characteristics， can′t realize the pre?operation of sensor displacement data， and has the defects of high data transmission deviation and low transmission efficiency. Therefore， a wireless communication system based on laser displacement sensor was designed. Several sensors for multi channels are used to acquire， operate， display and transmit the data at the same time. The ZigBee technology is adopted to establish the wireless sensor network （WSN）. By means of the terminal data acquisition module of the sensor， the communication interface between network coordinator module and upper computer is designed， and the detection procedure of the wireless communication system is given. The experimental results show that the system can enhance the use efficiency of laser displacement sensor greatly， and its real?time performance and accuracy for data wireless transmission are high.
Keywords： laser displacement sensor； wireless communication； communication interface； data acquisition
0 引 言
激光位移传感器广泛应用在工业长度、距离等检测领域中。传统系统通常采用有线电缆方式完成激光位移传感器的数据传输，该传输方式容易受到检测环境的干扰，存在布线复杂以及绕线困难等缺陷[1?2]，因此，无需布线的无线通信方式成为当前检测领域相关人员分析的重点[3?4]。而传统系统存在透明传递特性，在无线传输前不能实现传感器位移数据的预操作，导致数据传输偏差高、效率低。
激光位移传感器通常应用于测控现场、电源供电以及数据传输过程中，通常采用有线电缆完成数据的传输。受到环境的限制，铺设电缆需要耗费较高的成本，大大降低了传感数据的传输质量[5?7]。故设计基于激光位移传感器的无线通信系统，实现激光位移传感数据的高效率、高精度传输，具有重要的应用价值。
1 基于激光位移传感器的无线通信技术
1.1 激光位移传感器的介绍
激光位移传感器基于激光三角检测原理实施非接触检测，具有结构简化、检测效率和精度高的优势，廣泛应用在工业长度、距离等检测领域中。激光三角检测法在运行过程中，激光发射器通过镜头将激光束射向待测物体，物体反射的激光被激光器镜头中的感光元件采集形成光点，感光元件基于不同感光角度获取不同距离发射的激光对应的光点[8]。数据信号处理器对传感器同待测物体间的距离实施计算过程中，需要全面分析感光角度、激光同感光元件间的距离等因素。激光位移传感器的检测原理图用图1描述，能够看出物体位置变化时，光点位置也变化，激光位移传感器基于光点的位置能够检测到待测物体的位移[9]。本文采用来自德国米铱公司的opto NCDT 1700LL系列激光位移传感器。该传感器数据输出规范是RS 422串口协议，其采用一根RS 422转USB的数据线同电脑通信。
1.2 基于多激光位移传感器的无线通信系统设计
多个激光位移传感器能够检测到多个被测点的位置信息，可以实现复杂检测任务。因此，基于opto NCDT 1700LL激光传感器，设计多激光位移传感器的无线通信系统，可提升无线通信系统的数据传输率和精确度。
1.2.1 无线通信系统总体结构设计
因为ZigBee技术是一种短距离、高效率的双向无线通信技术，信息在ZigBee网络中采用自由路由的途径进行交互，增强了网络信息传递的平稳性。在利用激光位移传感器检测时，采用ZigBee组网技术，通过大量传感器间的协同运行获取大量的位移数据。本文基于ZigBee无线技术，设计多激光位移传感器的无线通信系统，实现多路传感数据的同时采集、操作、显示以及传输。设计的无线通信系统结构图，如图2所示。
从图2中能够看出，多激光位移传感器无线通信系统能够对多个opto NCDT 1700LL激光位移传感器的数据进行采集，RFD为终端部件，不同的激光位移传感器通过RFD实现位移数据的无线传递。数据接收端通过协调器FFD驱动网络，并采集各终端部件获取的位移数据，采用USB接口同电脑通信，将获取的位移数据反馈给上位机进行分析[7]。锂电池为系统提供电能，将MAX488当成数据接口协议，数据接收端通过协调器同上位机端USB接口交互信息。
1.2.2 无线通信系统硬件设计
（1） DTD253模块接口设计。无线通信系统采用的无线通信模块是DTD253模块，其依据ZigBee规范以及CC2530芯片设计而成，拥有250 Kb/s的传输速率，供电电压取值范围为2.0～3.6 V。由于发送端激光位移传感器的输出以及DTD253模块的输入电平不同，因此需要通过芯片MAX488电路完成激光位移传感器输出接口电平到DTD253模块串口电平的变换，实现激光位移数据的无线通信。MAX488的串口422信号线同激光位移传感器接口连接，MAX488的WED接口和TXD接口分别同DTD253模块的TX、WE信号线连接。串口接头管脚示意图见图3。
图3 串口接头管脚示意图
R?，R+，T?，T+以及GND信号线对应于图3中的1～5号管脚，6～9号引脚空闲，将6号引脚设置成24 V的电源管脚，向数据采集节点的稳压模块提供电能，解决了从锂电池端融入电能产生的复杂接线问题。
采用Altium Designer软件实施PCB设计，数据接收端的协调器为新的DTD253模块，协调器可以采集和传输数据。DTD253B模块的接口是TTL串口，采用FT232芯片实现串口转USB接口的转换，实现协调器同电脑端的通信，使得USB接口向DTD253提供电能。FT232R芯片的17管脚是3.1VOUT引脚，DTD253模块拥有30 mA以及25 mA的发射电流和接收电流。通过FT232芯片的17引脚向DTD 235B协调器提供3.1 V电压。
（2）处理器设计。数据处理单元对多个opto NCDT 1700LL激光传感器位移数据实施操作。opto NCDT 1700LL传感器的最大数据输出频率是2.5 kHz。本文采用Atmega1280?16AU AVR单片机，将其当成激光位移传感器无线通信系统的处理器。其处理速度为16 MHz，FLASH存储器和SRAM存储器的容量分别为128 KB和8 KB，模拟输入接口的数量是16。
1.2.3 无线通信系统检测程序设计
无线传输程序的关键内容是协调器节点程序以及终端节点程序，协调器采用串口向上位机传输字符串，并向终端节点分配网络地址，此时协调器将节点的地址信息反馈给上位机。
终端节点采集激光位移传感器的位移数据，完成数据操作后，向协调器反馈位移数据，协调器向上位机反馈位移数据。采用IAR Embedded Workbench系统完成终端节点串口程序的编写，该串口程序可对数据实施操作，基于激光位移传感器的无线通信网络系统中，传输数据前将数据设置成“&x=00.0000mm”的显示格式。
采用轮询任务调度队列方法控制任务调度，通过定时器管理终端节点的数据发送过程。无线通信网络包括两个激光位移传感器终端节点和一个协调器，传输位移数据的时间间隔是2 s。
2 实验分析
实验对无线射频开发板进行编程调试，融合本文采用的opto NCDT 1700LL激光位移传感器和无线通信系统，实施收发数据实验，结果见表1。
分析表1能够看出：在激光位移传感器的传输率高于300 Hz的情况下，传统系统存在较高的掉包率；在激光位移传感器串口波特率为57 500 b/s的情况下，传统系统的串口通信堵死，不能传输数据，仅能进行每秒收发约20个的位移数据，远远低于激光位移传感器要求的最高检测频率2.5 kHz。而基于多激光位移传感器的无线通信系统在上述两种情况下，都具有较高的数据传输量和数据输出率，并且不存在掉包和堵死的问题，说明本文无线通信系统能够实现数据的高效率传输。
实验将本文无线通信系统应用到新型机床测头中，在机床主轴中部署激光位移传感器，融合逼近式空芯定位法，实现待测工件几何尺寸检测，检测实物图如图4所示。其中的激光位移传感器可确保测头的检测精度达到微米级（μm），测头随主轴进行高速旋转，并对待测工件实施动态检测。
图5是本文无线通信系统对图4中的待测工件实施检测的结果，可以看出，测头高速旋转时，本文系统检测的工件孔心距数据保持平稳的规律变化，数据传输稳定，总体工件孔心距的检测误差为微米，具有较高的实用性和检测精度。
3 结 语
根据激光位移传感器的数据传输原理，本文设计了基于多激光位移传感器的无线通信系统，实验结果表明，该系统极大地增强了激光位移传感器在检测领域中的应用价值。
参考文献
[1] 刘娅，徐震，杨蕾.基于物联网的無线传感器网络路由协议研究[J].光通信研究，2014，40（1）：67?70.
[2] NAGAI Y， IBARAKI S， NISHIKAWA S. Error calibration of five?axis machine tools by on?machine measurement system using a laser displacement sensor [J]. Journal of advanced mechanical design systems & manufacturing， 2014， 8（4）： 27?37.
[3] XING Z， CHEN Y， WANG X， et al. Online detection system for wheel?set size of rail vehicle based on 2D laser displacement sensors [J]. Optik?international journal for light and electron optics， 2016， 127（4）： 1695?1702.
[4] 吴晓军，刘敏，李笔锋，等.基于激光雷达观测数据的无线光通信系统性能研究[J].光电子·激光，2014（11）：2146?2151.
[5] PARALI Levent， PECHOUSEK Jiri， ?ABIKO?LU ?srafil， et al. A digital measurement system based on laser displacement sensor for piezoelectric ceramic discs vibration characterization [J]. Optik?international journal for light and electron optics， 2016， 93： 11?24.
[6] 杨萍，宋宏，楼利旋，等.盐水和沙子上方传輸激光束波前畸变校正的对比研究[J].红外与激光工程，2016，45（4）：23?29.
[7] ZHA J L， LI H Z. Analysis of the principle of laser displacement sensor and its application [J]. Applied mechanics & materials， 2015， 734： 84?89.
[8] JIANG Z， SONG B， ZHOU X， et al. On?machine measurement of location errors on five?axis machine tools by machining tests and a laser displacement sensor [J]. International journal of machine tools & manufacture， 2015， 95： 1?12.
[9] 吴伟，于成龙.基于无线传感器网络的移动目标跟踪系统研究[J].压电与声光，2014，36（1）：147?149.
摘 要： 传统无线通信系统存在透明传递特性，不能实现传感器位移数据的预操作，数据传输偏差高、效率低等缺陷，为此，设计了基于激光位移传感器的无线通信系统。采用多路传感器同时采集、操作、显示以及传输，采用ZigBee 技术建立无线传感器网络，通过传感器的终端数据采集模块，设计了网络协调器模块同上位机的通信接口，并给出无线通信系统检测程序。实验结果表明，该系统极大地提升了激光位移传感器的使用效率，并且数据无线传输的实时性和准确率都较高。
关键词： 激光位移传感器； 无线通信； 通信接口； 数据采集
中图分类号： TN95?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0025?03
Research on wireless communication technology based on laser displacement sensor
ZHOU Chunmei
（School of Electronic and Information Engineering， Sichuan Technology and Business University， Chengdu 611745， China）
Abstract： The traditional wireless communication system exists the transparent transmission characteristics， can′t realize the pre?operation of sensor displacement data， and has the defects of high data transmission deviation and low transmission efficiency. Therefore， a wireless communication system based on laser displacement sensor was designed. Several sensors for multi channels are used to acquire， operate， display and transmit the data at the same time. The ZigBee technology is adopted to establish the wireless sensor network （WSN）. By means of the terminal data acquisition module of the sensor， the communication interface between network coordinator module and upper computer is designed， and the detection procedure of the wireless communication system is given. The experimental results show that the system can enhance the use efficiency of laser displacement sensor greatly， and its real?time performance and accuracy for data wireless transmission are high.
Keywords： laser displacement sensor； wireless communication； communication interface； data acquisition
0 引 言
激光位移传感器广泛应用在工业长度、距离等检测领域中。传统系统通常采用有线电缆方式完成激光位移传感器的数据传输，该传输方式容易受到检测环境的干扰，存在布线复杂以及绕线困难等缺陷[1?2]，因此，无需布线的无线通信方式成为当前检测领域相关人员分析的重点[3?4]。而传统系统存在透明传递特性，在无线传输前不能实现传感器位移数据的预操作，导致数据传输偏差高、效率低。
激光位移传感器通常应用于测控现场、电源供电以及数据传输过程中，通常采用有线电缆完成数据的传输。受到环境的限制，铺设电缆需要耗费较高的成本，大大降低了传感数据的传输质量[5?7]。故设计基于激光位移传感器的无线通信系统，实现激光位移传感数据的高效率、高精度传输，具有重要的应用价值。
1 基于激光位移传感器的无线通信技术
1.1 激光位移传感器的介绍
激光位移传感器基于激光三角检测原理实施非接触检测，具有结构简化、检测效率和精度高的优势，廣泛应用在工业长度、距离等检测领域中。激光三角检测法在运行过程中，激光发射器通过镜头将激光束射向待测物体，物体反射的激光被激光器镜头中的感光元件采集形成光点，感光元件基于不同感光角度获取不同距离发射的激光对应的光点[8]。数据信号处理器对传感器同待测物体间的距离实施计算过程中，需要全面分析感光角度、激光同感光元件间的距离等因素。激光位移传感器的检测原理图用图1描述，能够看出物体位置变化时，光点位置也变化，激光位移传感器基于光点的位置能够检测到待测物体的位移[9]。本文采用来自德国米铱公司的opto NCDT 1700LL系列激光位移传感器。该传感器数据输出规范是RS 422串口协议，其采用一根RS 422转USB的数据线同电脑通信。
1.2 基于多激光位移传感器的无线通信系统设计
多个激光位移传感器能够检测到多个被测点的位置信息，可以实现复杂检测任务。因此，基于opto NCDT 1700LL激光传感器，设计多激光位移传感器的无线通信系统，可提升无线通信系统的数据传输率和精确度。
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从图2中能够看出，多激光位移传感器无线通信系统能够对多个opto NCDT 1700LL激光位移传感器的数据进行采集，RFD为终端部件，不同的激光位移传感器通过RFD实现位移数据的无线传递。数据接收端通过协调器FFD驱动网络，并采集各终端部件获取的位移数据，采用USB接口同电脑通信，将获取的位移数据反馈给上位机进行分析[7]。锂电池为系统提供电能，将MAX488当成数据接口协议，数据接收端通过协调器同上位机端USB接口交互信息。
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图3 串口接头管脚示意图
R?，R+，T?，T+以及GND信号线对应于图3中的1～5号管脚，6～9号引脚空闲，将6号引脚设置成24 V的电源管脚，向数据采集节点的稳压模块提供电能，解决了从锂电池端融入电能产生的复杂接线问题。
采用Altium Designer软件实施PCB设计，数据接收端的协调器为新的DTD253模块，协调器可以采集和传输数据。DTD253B模块的接口是TTL串口，采用FT232芯片实现串口转USB接口的转换，实现协调器同电脑端的通信，使得USB接口向DTD253提供电能。FT232R芯片的17管脚是3.1VOUT引脚，DTD253模块拥有30 mA以及25 mA的发射电流和接收电流。通过FT232芯片的17引脚向DTD 235B协调器提供3.1 V电压。
（2）处理器设计。数据处理单元对多个opto NCDT 1700LL激光传感器位移数据实施操作。opto NCDT 1700LL传感器的最大数据输出频率是2.5 kHz。本文采用Atmega1280?16AU AVR单片机，将其当成激光位移传感器无线通信系统的处理器。其处理速度为16 MHz，FLASH存储器和SRAM存储器的容量分别为128 KB和8 KB，模拟输入接口的数量是16。
1.2.3 无线通信系统检测程序设计
无线传输程序的关键内容是协调器节点程序以及终端节点程序，协调器采用串口向上位机传输字符串，并向终端节点分配网络地址，此时协调器将节点的地址信息反馈给上位机。
终端节点采集激光位移传感器的位移数据，完成数据操作后，向协调器反馈位移数据，协调器向上位机反馈位移数据。采用IAR Embedded Workbench系统完成终端节点串口程序的编写，该串口程序可对数据实施操作，基于激光位移传感器的无线通信网络系统中，传输数据前将数据设置成“&x=00.0000mm”的显示格式。
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2 实验分析
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分析表1能够看出：在激光位移传感器的传输率高于300 Hz的情况下，传统系统存在较高的掉包率；在激光位移传感器串口波特率为57 500 b/s的情况下，传统系统的串口通信堵死，不能传输数据，仅能进行每秒收发约20个的位移数据，远远低于激光位移传感器要求的最高检测频率2.5 kHz。而基于多激光位移传感器的无线通信系统在上述两种情况下，都具有较高的数据传输量和数据输出率，并且不存在掉包和堵死的问题，说明本文无线通信系统能够实现数据的高效率传输。
实验将本文无线通信系统应用到新型机床测头中，在机床主轴中部署激光位移传感器，融合逼近式空芯定位法，实现待测工件几何尺寸检测，检测实物图如图4所示。其中的激光位移传感器可确保测头的检测精度达到微米级（μm），测头随主轴进行高速旋转，并对待测工件实施动态检测。
图5是本文无线通信系统对图4中的待测工件实施检测的结果，可以看出，测头高速旋转时，本文系统检测的工件孔心距数据保持平稳的规律变化，数据传输稳定，总体工件孔心距的检测误差为微米，具有较高的实用性和检测精度。
3 结 语
根据激光位移传感器的数据传输原理，本文设计了基于多激光位移传感器的无线通信系统，实验结果表明，该系统极大地增强了激光位移传感器在检测领域中的应用价值。
参考文献
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[6] 杨萍，宋宏，楼利旋，等.盐水和沙子上方传輸激光束波前畸变校正的对比研究[J].红外与激光工程，2016，45（4）：23?29.
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[8] JIANG Z， SONG B， ZHOU X， et al. On?machine measurement of location errors on five?axis machine tools by machining tests and a laser displacement sensor [J]. International journal of machine tools & manufacture， 2015， 95： 1?12.
[9] 吴伟，于成龙.基于无线传感器网络的移动目标跟踪系统研究[J].压电与声光，2014，36（1）：147?149.
