数字化无线角度测量仪的研制

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3.0 赵德峰 2024-11-19 6 4 3.12MB 80 页 15积分

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摘要

在分析了国内外测量仪器的现状和测量仪器数字化、智能化和集成化的发展

趋势的基础上，本文设计了一款体积小、功耗低、便于安装、可进行信号无线传

输的数字化无线角度测量仪，可应用于多种工程领域内的角度测量、监测和平面

水平测试。

本文着重介绍了数字化无线角度测量仪的设计思路、设计框架、软硬件设计

及最终的调试结果。对数字式角度测量仪硬件电路、无线通信收发程序和上位机

信号分析处理等方面的设计进行了详细论述。具体内容如下:

基于ADXL202的基本工作原理和其作为角度仪敏感元件的优缺点，对它的各

项技术参数进行了分析和选择，确定角度仪所能达到的测量精度；比较了各种短

距离无线通信方式，确定了基于无线收发器nRF9E5的无线通信方式；设计了并制

作了系统的硬件电路板，包括加速度信号的采集电路、无线射频收发模块电路；

对系统干扰源进行了详细分析和研究，并提出相对应的解决措施；设计了系统信

号采集处理、无线通信协议和上位机监控的程序。

通过对系统硬件电路、软件系统进行了调试，系统对角度信号的采集处理分

辨率、精度等都达到了设计的要求，信号加速度分辨率为 8.32mg，角度仪分辨率

为8.5mm/m；无线通信灵敏度、数据的准确度，通信距离都达到了预期的效果，

室外传输可达到 100-150m，室内可达 40m 左右；同时，整个系统的功耗测试表明

系统的功耗较低，符合低功耗的要求。

综上所述，本文成功实现了数字式无线角度测量的各项功能，并为进一步的

改进奠定了基础。

关键词数字式角度仪 ADXL202 nRF9E5 短距离通信

ABSTRACT

Base on the present status and the numeralization, intelligence and integration

development trend of measuring instrument home and abroad, this thesis design a

Digital wireless angle measuring instrument, which has small size, low power

consumption and can be assemble easily to transmiss the angle signal wirelessly.The

instrument can be used in a variety of engineering fields of angle measurement, angle

monitoring and horizontal test.

This article focuses on the design about framework, hardware and software and

debugs of the digital wireless angle measuring instrument.The reserrch detailes the

hardware circuit, wireless communication procedures and the signal processing in

PC.The detailes are as follows:

Analysis and choice the parameters of ADXL202 based on its principle and its

advantages and disadvantages as Miriam sensitive components of angle measuring

instrument, make the measurement accuracy the instructment can get; Comparing a

variety of short-range wireless communications, make sure the way of the Wireless

communication, which bases on the wireless transceiver nRF9E5;Design and make the

system's hardware circuit boards, including the acceleration signal acquisition circuit;

Analysis the system’s interference and put forward the corresponding measures;Design

the procedures of the system,including the signal acquisition and processing program,

wireless communications protocols and procedures for monitoring on PC.

Debuging to the system hardware circuits and software system, the resolution and

accuracy to the angle signal acquisition and processing can meet the design

requirements，

The signal acceleration resolution is 8.32mg, the goniometer resolution is 8.5mm/m;

Wireless communications sensitivity, data accuracy, communication distance achieve

the desired results,100-150m when outdoor and about 40m when indoor;at the same

time , the test of power consumption to the whole system showes that systems is in line

with the low power requirements.

To sum up, the thesis accomplishes the basic functions of the Digital wireless angle

measurement and makes good preparations for improving the performance of system.

Key Word: Digital angle measuring instrument，ADXL202，nRF9E5;

Short-range Wireless Communication

摘要

ABSTRACT

第一章绪论..................................................................................................................... 1

§1.1 课题来源、背景及意义 ...................................................................................1

§1.2 短距离无线通信技术现状 ...............................................................................2

§1.3 加速度传感器概况 ...........................................................................................5

§1.4 论文的主要工作 ...............................................................................................6

第二章数字化无线角度测量仪的总体设计..................................................................8

§2.1 系统总体设计原则 ...........................................................................................8

§2.2 系统总体方案设计 ...........................................................................................9

§2.3 目标芯片的选择 .............................................................................................11

§2.3.1 加速度传感器的选择 ...........................................................................11

§2.3.2 无线收发芯片的选择 ...........................................................................12

§2.4 系统设计中的关键技术问题 .........................................................................15

§2.5 本章小结 .........................................................................................................15

第三章数字化无线角度测量仪系统硬件设计............................................................ 16

§3.1 加速度传感器信号采集模块设计 .................................................................16

§3.1.1 MEMS 角速度传感器 ADXL202E 的基本特性 ................................. 16

§3.1.2 ADXL202E 的工作原理 ....................................................................... 17

§3.1.3 倾角测量原理 .......................................................................................18

§3.1.4 加速度传感器的硬件设计 ...................................................................19

§3.1.5 传感器的安装 .......................................................................................22

§3.2 无线收发电路的设计 .....................................................................................22

§3.2.1 无线射频收发一体芯片 nRF9E5 ........................................................ 22

§3.2.2 nRF9E5 主控接口电路设计 ................................................................. 25

§3.2.3 自启动 EEPROM 接口电路设计 ........................................................ 25

§3.3 主控节电接口电路设计 .................................................................................26

§3.3.1 PL-2303HX 简介 ...................................................................................26

§3.3.2 USB 与RS232 接口设计 ...................................................................... 27

§3.4 系统供电电源设计 .........................................................................................29

§3.5 串口通信电路模块设计 .................................................................................30

§3.6 硬件开发及 PCB 设计 ................................................................................... 31

§3.6.1 制版设计中的常见问题 .......................................................................31

数字化无线角度测量仪的研制

§3.6.2 PCB 设计要点 ....................................................................................... 31

§3.6.3 硬件开发集成软件环境 .......................................................................34

§3.6.4 具体模块 PCB 布线图 ......................................................................... 34

§3.7 本章小结 .........................................................................................................36

第四章数字化无线角度测量仪的软件设计................................................................37

§4.1 nRF9E5 模块初始化及设置 ........................................................................... 37

§4.1.1 nRF9E5 射频设置 ................................................................................. 37

§4.1.2 nRF9E5 工作模式设置 ......................................................................... 38

§4.1.3 nRF9E5 内部 SPI 设置及读写 ............................................................. 39

§4.1.4 系统 nRF9E5 的配置寄存器设置 ....................................................... 41

§4.2 主程序设计 .....................................................................................................41

§4.2.1 主控节点的主程序设计 .......................................................................41

§4.2.2 终端节点的主程序设计 .......................................................................43

§4.3 各功能子程序设计 .........................................................................................44

§4.3.1 加速度数据采集程序设计 ...................................................................44

§4.3.2 角度信号计算程序 ...............................................................................44

§4.3.3 无线通信程序的设计 ...........................................................................45

§4.3.4 PC 机与主控节点的串口通信设计 ......................................................50

§4.4 本章小结 .........................................................................................................55

第五章数字化无线角度测量仪系统的调试................................................................56

§5.1 加速度采集数据测试 .....................................................................................57

§5.1.1 ADXL202E 的标定 ............................................................................... 57

§5.1.2 角度测试实验 .......................................................................................58

§5.2 无线通信系统测试 .........................................................................................61

§5.2.1 无线收发功耗测试 ...............................................................................61

§5.2.2 无线通信模块的距离测试 ...................................................................62

§5.3 本章小结 .........................................................................................................63

第六章总结与展望....................................................................................................... 64

§6.1 总结 .................................................................................................................64

§6.2 展望 .................................................................................................................64

参考文献.........................................................................................................................66

附录............................................................................................................................. 68

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果.................................................. 76

致谢............................................................................................................................. 77

第一章绪论

§1.1 课题来源、背景及意义

测量仪器是指“单独地或连同辅助设备一起用以进行测量的器具”。人们现

在经常提到的数字化测量仪器所包括的范围十分广泛，一般是指智能化测量仪，

即不仅仅是数字化的输出或显示，还包括数字信号和数字化电路等方面。随着现

代测量技术的迅速发展，无论是单台测量仪器还是整个测试系统都在朝着数字化、

智能化、多功能、小型化、模块化、标准化和开放型方向发展[1,2]。

目前许多应用领域中经常需要测量某个平面是否处于水平、垂直,或者测量相

对于水平面的夹角,例如检测桥梁悬臂梁的角度,监测大型建筑工具中悬臂梁的角

度；自倾斜火车需要利用倾斜角来补偿离心加速度,对测距仪、投影仪等仪器进行

水平校准。还有些领域不仅需要测量某个角度,还需要测量三维空间角,例如航空中

的飞机就需要测量三维角以控制飞机的飞行,非开挖也需要测量三维角以控制地底

下的钻头。

角度测量仪是一种用来测量角度、水平度的仪器，它作为一种重要的通用工

具，广泛应用在桥梁架设，铁路铺设，土木工程，地质勘探，石油钻井，航空航

海，工业自动化，机械加工，精密制造，教学研究，国防军事等各个领域和行业

中。

而在当前,机械测绘行业在测量角度时大部分单位依然沿用传统的机械式测

角仪或者是比较昂贵的三坐标测量仪。前者属于原始的检测方法,有诸多缺点,如功

能单一、测量值因人而异、精度低、测量范围小、个别测量时间长等;后者成本较

高,操作比较复杂。

而对于很多行业的施工项目来说，对设备进行角度的测量大多是在比较恶劣

的环境或者是一些特殊的机械结构下进行的，对信号的采集处理、系统的监控以

及维护大多需要通过现场或者有线的方式与数据处理监控系统相连接，这就给现

场布线以及通信距离带来了问题，甚至在一些结构中无法进行信号采集。

当前我们急需一种精度高，设备体积小，并且可以以无线方式进行数据传输

和系统监控的数字化角度测量仪。

传感技术、MEMS 技术的进步,使得传感器的集成化、微型化、无线化成为一

种趋势；无线模块与传感器的集成更是传感器发展的趋势；随着短距离无线通信

技术的发展，使用无线模块进行测控、数据采集也越来越多地受到人们的关注。

这些都促进了无线传感技术的发展,采用无线传感技术获取结构信息可以弥补有线

数字化无线角度测量仪的研制

传感采集的不足,所有这些使得角度测量中应用该项技术成为可能[3]。

基于此,本文介绍了一种数字式角度测量仪,它基于无线加速度传感器并结合

短距离无线通信技术，即采用无线传感技术来获取结构角度或斜度变化信息，弥

补有线传感采集的不足。本系统可以用于大型交通工具、或建筑物等基础设施角

度监测。本文具体具体阐述了无线加速度传感器硬件集成、无线通信模块软硬件

设计流程和测试情况。

§1.2 短距离无线通信技术现状

随着数字通信和计算机技术的发展，无线通信技术已经跨越了语音移动通信

的传统应用，许多短距离无线通信的应用也被提出，发展短距离无线通信技术已

经成为一种必然的趋势。在信息社会的今天，短距离无线数据通信系统已经成为

21 世纪个人通信系统的极其重要的组成部分，迅速地向我们日常生活中的各个方

面扩展。它与长距离无线通信系统，例如：移动通信网络（GSM），有很多方面的

区别，一般来说，短距离无线通信系统是由若干个独立的无线节点，通过空气中

的无线电波或光波，构成的无线通信网络；它以其无需布线、价格低廉等优点，

在许多应用场合有其他联网技术不可代替的作用。其主要的特征如下：

无线发射功率在几微瓦到小于 100 微瓦；

1. 通信距离范围在几厘米到几百米之间；

2. 使用全向天线和线路板天线；

3. 不需要申请无线频道；

4. 高频操作；

5. 电池供电的无线发射器和无线接收器。

作为无线接入通信方式中的一种，近几年来短距离无线通信的技术和市场都

有很大的发展，产生无数的新应用和新的市场，其典型应用领域有：

1. 在一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆的环境下替代传统的电

缆连接，实现数据的有效传输；

2. 为各种家电电子产品的网络互连提供一种廉价而实用方案，从而促进相关领

域内的技术进步和革新；

3. 为接入 Internet 提供短距离无线接入点，从而为各种电子产品融入 Internet 世

界提供便捷的途径；

4. 为个人局域网提供网络连接手段，使各个设备间可以相互通信，相互利用对

方的功能。

为了实现无线节点间的互通，必须要有相应的无线网络通信标准。各大通信

第一章绪论

厂商都推出了自己的无线网络解决方案，因此也出现了许多无线通信协议。目前

比较流行的短距离无线通信协议有 IrDA、蓝牙、Wi-Fi 以及微功率短距离无线通

信技术[5, 6, 10]，它们在短距离无线通信领域中各具优势，以下是对这几种短距离无

线通信技术的简单介绍及比较。

1. 红外线 IrDA（Infrared Data Association）

红外无线通信是一种采用红外线作为通信载体的通信方式，由于其价格便宜、

体积小巧、应用成熟，是目前使用最广泛的短距离无线通信技术。红外通信在短

距离室内应用中有较大的优势，广泛应用于各种家电的遥控器装置。起初，采用

IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kb/s速率传输数据，很快发展到4Mb/s

的速率，后来，又达到16Mb/s。由于红外线的波长和可见光的波长很接近，因此

它不能穿透不透明的障碍物，这使得红外通信的范围被局限在同一个房间内，但

也正是由于这种局限性，无线系统中的安全和干扰问题在红外线中并不存在。而

且它的数据传输速率较高，最高可达16Mb/s，适合于传输容量较大的数据文件和

多媒体数据流。但是红外通信是一种视距传输，也就是说两个具有IrDA端口的设

备之间如果要传输数据，在视觉上必须对准，中间不能有阻挡物，这种要求在两

个设备之间是容易实现的，但如果是在多个设备之间，就必须彼此调整位置和角

度。由于其发射角度一般不超过30度，通信距离仅为1～3m，因此无法灵活的组成

通信网络。再者，IrDA设备中的核心部件——红外线LED（Light Emitting Diode）

不是一种十分耐用的器件，易磨损。因此，红外通信具有技术成熟、成本低、速

度快、安全性高、带宽几乎不受限制的优势，也存在通信有效距离近、角度限制

严格、不能移动传输等缺点。

2. 蓝牙技术（Bluetooth）

蓝牙技术是1998年5月由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚等多家公司联合制定

的一种短距离无线通信标准。它工作在2.4G的ISM

（Industrial Scientific and Medical）

频段，是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。蓝牙以近距离无线连接为

基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，将各种通信设备、计算机

及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。使用

跳频技术，本身包括纠错机制，可靠性高。蓝牙能方便地使用，得益于Plonk and Play

的概念，可以解释成“即连即用”的意思；即任意蓝牙技术设备一旦搜寻到另一

个蓝牙技术设备，马上就可以建立联系，而无须用户进行任何设置。蓝牙RF定义

了三种功率等级(100mw，25mw和1mw)，当蓝牙设备功率为1mW时，其发射范围

一般为10m，适用于鼠标，键盘等短距离设备；当功率增加到100mW时，发射范

围可达到100m，适合于移动电话，笔记本电话等设备。蓝牙技术更强调设备之间

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摘要在分析了国内外测量仪器的现状和测量仪器数字化、智能化和集成化的发展趋势的基础上，本文设计了一款体积小、功耗低、便于安装、可进行信号无线传输的数字化无线角度测量仪，可应用于多种工程领域内的角度测量、监测和平面水平测试。本文着重介绍了数字化无线角度测量仪的设计思路、设计框架、软硬件设计及最终的调试结果。对数字式角度测量仪硬件电路、无线通信收发程序和上位机信号分析处理等方面的设计进行了详细论述。具体内容如下:基于ADXL202的基本工作原理和其作为角度仪敏感元件的优缺点，对它的各项技术参数进行了分析和选择，确定角度仪所能达到的测量精度；比较了各种短距离无线通信方式，确定了基于无线收发器nRF9E...

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