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 4 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

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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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