基于LabVIEW的双轴倾角测量系统设计

王爱军，李 昆，何小妹

（中航工业北京长城计量测试技术研究所 北京　100095）

基于LabVIEW的双轴倾角测量系统设计

王爱军，李 昆，何小妹

（中航工业北京长城计量测试技术研究所 北京100095）

倾角测量在在国防建设和国民经济中凸显重要，尤其双轴倾角测量更是应用广泛。文中针对传统有线测量方式功能的不足，设计一种基于LabVIEW的双轴无线测量系统。该系统采用ZEROTRONIC传感器进行数据采集，通过CC1101无线通信模块对数据进行传输，利用LabVIEW作为开发平台构建双轴倾角测量系统。系统具有对倾角数据进行采集、无线传输、显示、分析、存储、报警等功能。样机实验结果表明，该系统能有效准确的反映倾角的变化，具有一定的应用价值。

LabVIEW；倾角测量；CC1101；无线通信

倾角变化是描述物体在动态环境下的运动状态及特征的重要指标参数，实时倾角数据测量对于目标物的定位和追踪都起到至关重要的作用，因此倾角测量无论在国防建设，还是国民经济中都有广泛的应用［1］。传统的倾角测量系统常采用有线传输模式，该模式下，不仅设备安装灵活性差，还经常出现缠线等实际问题。且长距离有线传输不仅成本高，还容易导致信号衰减严重，使得测量误差较大［2］。为解决上述问题，文中提出一种基于LabVIEW的双轴无线倾角测量系统，通过ZEROTRONIC传感器和CC1101的无线单元完成数据采集和传输，并由低功耗单片机STC90C52作为整个系统的控制单元，实现对原始数据采集和传输过程的控制及数据处理。

1　系统组成及原理

基于LabVIEW的双轴倾角无线测量系统包括上位机和下位机两部分［2］。上位机即控制中心，由PC机、232串口转换模块、基于STC90C52的单片机控制模块和基于CC1101的无线收发模块组成；下位机即现场终端，由ZEROTRONIC倾角传感器、485串口转换模块、单片机控制模块、无线收发模块组成。系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图Fig．1　The block diagram of the system

系统工作过程为：现场终端通过倾角传感器ZEROTRONIC采集现场数据信息交由STC90C52单片机进行转换并通过CC1101无线收发模块传回控制中心；控制中心PC前端的无线接收装置接收信息并通过单片机和接口转换电路后传输给PC机，控制中心PC机上的基于LabVIEW测量软件实时对现场采集到的信息进行相应的分析、显示、存储和报警等处理，同时也可以利用LabVIEW的网络功能实现结合互联网实现远程倾角测量。

2　系统的硬件设计

2.1ZEROTRONIC倾角传感器

ZEROTRONIC倾角传感器是由瑞士WYLERAG公司生产的具有单向测量±60°测量量程的高精度倾角传感器，可在多种环境条件下(不同温度、湿度、真空)完成高精度测量，对不稳定的物体或低速移动的物体角度或倾斜度测量。

图2　ZEROTRONIC倾角传感器实物Fig．2　Angle sensor of ZEROTRONIC

传感器的安装位置误差将直接影响到整个测量系统的精度，因此需要设计传感器精密安装工装来保证传感器的安装位置准确，工装设计时不仅要保证传感器的安装基准面相互垂直，且与底面也需垂直，如图3所示，倾角传感器精密安装工装示意图。

图3　传感器精密安装工装Fig．3　Install the sensor precision tooling

ZEROTRONIC倾角传感器采用RS485通信方式，每个传感器对应唯一的地址，最多可同时外接255路传感器，其输出引脚如表1所示。

表1　ZEROTRONIC倾角传感器输出引脚功能说明Tab.1　Angle sensor output pin function

2.2CC1101无线通信模块

CC1101芯片是美国德州仪器公司生产的一款低成本、高性能的无线收发器，是CC1100芯片的升级版本，通过设置工作频段可工作在315/433/868/915MHz。CC1101具有数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示、电磁波激发和无线电唤醒等功能［3］。该芯片的主要参数操作通过SPI接口控制，由于芯片采用内频率合成器，无需外部滤波器或RF转换，所以外部元器件极少，其典型的433 MHz的应用电路如图4所示，是真正的单片UHF RF收发器。由于受到天线结构和发射功率的影响，CC1101的有效传输距离只能在500 m范围内［4］，但满足绝大多数现场倾角测量需求。

图4　CC1101芯片的典型应用电路Fig．4　The typical application circuit of the chip CC1101

2.3单片机控制模块

控制单元主要是用来控制CC1101芯片和串口通信，本文采用STC90C52控制器，STC90C52是宏晶科技推出的高性能、低功耗8位基于8051系统的CMOS微控制器，STC90C52的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，可有效缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾［5］。STC90C52具有8 k字节的系统内可编程Flash，5 k字节EEPROM和512字节SRAM，是性价比极高的MCU，基于8051系统的STC90C52MCU原理构架框图如图5所示。

3　系统软件设计及实验

LabVIEW 是一种图形化的编程语言的开发环境，LabVIEW软件设计一般包括前面板和后台（程序框图）两部分，前面板是系统的操作和显示界面，后台是系统运行的图形化程序。系统的前面板主要由登录页面、测量系统主界面和数据库操作界面等4部分组成，完成对双轴倾角数据的分析、显示、记录、报警等功能。

图5　基于8051系统的STC90C52MCU原理构架框图Fig．5　The block diagram of the STC90C52MCU system based on the principle of structure 8051

LabVIEW 软件处理串口通信常采用 ActiveX控件或VISA串行通信节点，结合项目实际需求，文中采用了基于VISA的节点，其各节点功能说明如表2所示。

表2　VISA串行通信节点功能说明Tab.2　VISA Serial communication node function

3.1测量系统主界面设计

测量系统主界面主要完成下位机传输过来的倾角信号的分析、显示、记录以及报警功能，由于现场终端传输过上来的是数字信号，因此LabVIEW只要完成串口数据的读取和存储即可。基于LabVIEW的倾角测量系统与相关程序框图如图6～7所示。测量系统主界面主要包括主控界面和参数配置界面2部分。

图6　双轴倾角测量系统主界面Fig．6　The main interface of the biaxial angle measurement system

图7　双轴倾角测量系统数据读取程序Fig．7　Biaxial angle measurement system data read program

3.2样机系统试验

为验证本设计方案的可行性和试验样机性能，不仅开展试验样机的研制，还进行了试验样机与WYLERAG公司配套手持终端LEVELMETER2000的对比试验，由于双轴与单轴的试验原理一致和试验条件有限，本试验只进行了X轴的对比试验，样机试验测试图如图8所示。

图8　样机试验测试图Fig．8　Prototype experimental test

其中，测试结果如表3所示。

表3　样机测试试验对比数据表Tab.3　Experimental comparison of prototype testing

测试试验证明，从表3可以看出基于LabVIEW的倾角测量系统能够正常完成倾角的测量和显示功能，而且在显示数值位数方面与手持终端设备相比有着明显优势，从多次测量后的统计数据来看，基于LabVIEW的倾角无线测量系统具有很好的稳定性和良好的精度指标。

4　结　论

设计的基于LabVIEW双轴倾角测量系统，经过对样机试验测试和数据分析，系统能对X/Y双轴倾角数据进行测量，系统运行稳定且测试结果具有较高的精度，满足设计要求。相对于传统模式下倾角测量系统，文中采用LabVIEW、CC1101和STC90C52使系统整体成本下降，同时可根据用户实际测量需要自行增减现场终端，可完成对多轴倾角数据的连续采集和记录，通过LabVIEW调取数据库数据为后期数据分析提供参考，具有一定的工程应用价值和经济价值。

［1］付勇杰，丁艳红，梁义维，等．动态倾角传感器及其传递特性的研究［J］．仪表技术与传感器，2012（9）:6-8．

［2］黄双成，李志伟．基于LabVIEW的无线温湿度监测系统设计与实现［J］．电子测量技术，2014（6）:82-84．

［3］刘吉富，王国根，李敏勇．舰艇武器系统平台水平度测量误差分析［J］．舰船电子工程，2008（2）:37-39．

［4］杨文，黄文涛．通用自动测试系统的软件设计与实现［J］．工业控制计算机，2012，25（1）:79－81．

［5］陈序．基于CC1101的风速仪无线采集系统［J］．起重运输机械，2013（3）:99-101．

［6］王显军．LabVIEW对串口采样测量数据的处理［J］．电子测量技术，2014（3）:107-111．

Design of biaxial angle measurement system based on LabVIE

WANG Ai-jun，LI Kun，HE Xiao-mei
（ChangCheng Institute of Metrology&Measurement，Beijing 100095，China）

Angle measurement in national defense construction and the national economy is very important，especially biaxial angle measurement is more widely used，due to the shortage of the traditional functions of measurement，design a wireless measurement system based on double LabVIEW．The system uses the ZEROTRONIC sensor data acquisition，through the CC1101 wireless communication module for data transmission，as a development platform to build the biaxial angle measurement system based on LabVIEW．The system has collected and the angle of data wireless transmission，display，storage，alarm and other functions．The experimental results show that the change of the system，can effectively reflect the angle，and has a certain practical value．

LabVIEW；angle measurementmicrocontroller；CC1101；wireless communication

TN98

A

1674－6236（2016）02-0058-04

2015-05-01稿件编号：201505003

装备技术基础科研合同项目（HK30420141JL11）

王爱军（1984—），男，河北邯郸人，硕士，工程师。研究方向：机械设计与电控产品测试技术。