基于Profibus-DP总线的位移传感器设计

张强庆，张梦翔，张 霞，胡剑凌

（苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州215006）

设计了一套基于磁致伸缩原理且支持Profibus-DP总线通信协议的位移测量系统。系统采用ARM+FPGA的架构，FPGA实现激励信号产生、回波信号检测及接口控制等功能，ARM实现系统的主控、位移的计算、位移的非线性和温度补偿、通信控制等功能。测试结果表明，所设计的位移测量系统能良好地支持Profibus-DP总线协议，位移传感器分辨率可达到10 μm，测量精度达到±0.1 mm，温漂控制在预定范围内。系统运行稳定，抗干扰能力良好，达到了设计要求。

磁致伸缩；位移传感器；Profibus-DP协议

文献标识码： A

DOI： 10.16157/j.issn.0258-7998.170747

中文引用格式： 张强庆，张梦翔，张霞，等. 基于Profibus-DP总线的位移传感器设计[J].电子技术应用，2017，43(10)：70-73，77.

英文引用格式： Zhang Qiangqing，Zhang Mengxiang，Zhang Xia，et al. Design of displacement transducer based on Profibus-DP[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：70-73，77.

0 引言

测量技术是现代工业生产和科学研究中必不可少的一项技术，其中基于磁致伸缩效应的位移测量技术因其稳定性好、量程大以及便于安装维护等优点，被广泛应用于各种民用和军用领域。同时，随着信息技术的发展，工业控制系统正朝网络化、分散化和智能化方向发展，现场总线因其所具有的抗干扰能力、数字通信、高环境适应性等特点，良好地满足了此趋势要求。

Profibus总线技术由德国SIEMENS公司于1987年提出，具有统一总线标准、传输速度快、对复杂系统适应性强以及应用广、可实现“即插即用”的特点。其中ProfibusDP是一种高速的低成本通信连接，用于设备及控制系统与分散式I/O设备间的通信，在工业现场应用最广泛[1]。

本文设计了一种基于Profibus-DP协议的位移传感器，采用ARM+FPGA架构，实现了基于磁致伸缩原理的位移测量，并通过Profibus-DP协议与主站进行位移数据传输。

1 系统设计

本文所设计的位移传感器基于磁致伸缩原理，系统通过产生一定周期的激励脉冲激励波导丝，当激励波遇到位移测量处的永久磁铁的磁场时将产生磁致伸缩效应，所产生的扭转波将沿着波导丝以固定的速度传播，通过在近端检测扭转波和激励波的时间差即可以实现位移的测量[2]。磁致伸缩位移测量系统工作原理如图1所示。

本文设计的传感器电路主要包括激励脉冲发生模块、回波接收模块、回波检测和测量模块、位移计算和补偿模块、Profibus-DP总线通信模块、主控模块等。其中主控处理器选用ST公司的基于ARM Cortex-M3[3]内核的STM32F103CB完成系统主控、位移计算和补偿等功能；Actel公司的A3P060 FPGA作为高速单元实现高精度的回波检测和测量；Profichip公司的VPC3+S作为总线协议芯片实现基于Profibus-DP总线协议的位移数据传输。位移传感器系统框图如图2所示。

系统工作时，A3P060按照设定的周期T控制激励脉冲发生模块产生激励脉冲，激励脉冲电流将产生环向磁场并沿着波导丝传播，遇到待测量位置磁铁的磁场时，产生磁致伸缩效应，波导丝将产生机械扭转，从而形成扭转波沿波导丝传播，在近端被回波检测装置转换为电信号送入回波接收模块中处理。回波接收模块会对信号进行滤波和放大处理后送入比较器，并由A3P060完成回波信号的时间检测。A3P060将检测得到的时间信息通过SPI接口发送至处理器STM32F103CB，STM32F103CB利用数据处理和位移计算算法对采集到的时间信息进行位移计算、温度补偿以及位移非线性补偿处理后，最后将计算的位移经SPI接口传送至Profibus-DP通信模块VPC3+S，完成与主站的数据交换。

系统设计中采用RS485总线作为Profibus-DP的物理层接口，总线接口线路均通过光电隔离模块连接到DP总线，以保证数据的可靠通信。

温湿度传感器选用DHT11数字温湿度传感器，采用单线双向制，由STM32F103CB主动读取传感器的数据信息。

2 Profibus-DP协议实现

Profibus-DP总线协议集成了ISO/OSI模型的物理层、数据链路层，并根据实际需求加入用户层。一个DP系统，最多支持使用126个站点，各站点赋予唯一的逻辑地址。DP系统采用令牌控制+分时轮询的Token_Passing主从轮询协议，兼具分散式和主从式控制机制特点，特别适合对反应时间、可靠性、网络负荷有特殊要求的通信。

本系统选用VPC3+S实现Profibus-DP总线协议，采用SPI接口实现VPC3+S与STM32F103CB的通信。VPC3+S是完整集成Profibus-DP协议的通信芯片，支持数据传输速率达到12 Mb/s，在系统中完成地址识别、处理通信中的信息、数据安全序列以及DP通信协议的处理等任务。

3 软件设计

3.1 主流程

主流程主要进行系统及各模块的初始化以及数据处理和位移计算，流程图如图3。

上电时，首先系统初始化，设置STM32F103CB工作频率。接着对GPIO、SPI等外设进行初始化操作，点亮LED工作指示灯。再对通信芯片VPC3+S进行初始化和配置操作，然后不断查询数据准备好标志位。STM32F103CB通过SPI中断接收时间数据，主程序对回波峰整形、时间数据滤波，再计算位移并对位移结果进行温度补偿和非线性补偿。最后，STM32F103CB通过SPI中断发送位移结果到通信芯片VPC3+S。VPC3+S将位移数据封装成Profibus-DP帧格式，发送到RS485总线上。

3.2 位移计算模块

FPGA将时间数据通过SPI发送到STM32F103CB，如果有符合条件的回波峰，选出并计算该峰上升沿和下降沿的平均值，然后将该平均值送入数据滤波处理函数进行去极值平均处理，提高数据稳定性，最后将处理后的位移值通过SPI发送给VPC3+S通信芯片。位移计算流程图如图4。

选取峰的原则为：若最高级幅值有符合条件的峰，则取最高级幅值的峰，否则取次高一级幅值的峰，以此类推；若最高一级幅值符合条件的峰不止一个，则取前面的峰。取最大一级幅值对应的上升沿和下降沿的时间平均值作为当前回波峰的时间数据。

系统的时间数据采用去极值平均滤波，随后系统对数据进行去抖动处理、温度补偿和非线性补偿处理，得到最终的延时数据，数据乘以波速得到位移数据。

3.3 VPC3+S通信模块

实现Profibus-DP主从站通信过程，首先要对从站VPC3+S进行初始化[4]。主要内容包括：中断及功能寄存器值配置、从站地址值设定、看门狗设置、内部空间计算、缓冲区分配等。初始化流程如图5所示。

从站系统经过初始化操作和使能，通过主站确认信息进入工作状态，与主站进行循环数据交换。从站判断主站是否有数据输出，有则读取，否则可以直接将采集到的现场数据主动地发送给主站，如此循环。同时从站可以及时响应主站的参数化、组态、修改地址等中断请求。

4 系统调试与测试

从站搭建调试完成，构建完整通信系统还需主站。本设计使用瑞典HMS工业网络有限公司提供的Anybus-M系列板卡AB5030主站模块。

本文对系统的温漂性能[5]进行了测试，图6(a)和图6(b)分别给出了同一个组件在随机选取位置升温和降温情况下测得的温漂结果。测试时保持测量位置不变，改变环境温度，测得相应的位移信息。图中横坐标为温度，纵坐标为测量得到的位移，实线为补偿前的，虚线为补偿后的。由图可见，在温漂补偿前，在60 ℃的大温差范围内，位移温漂分别达到3 mm和2 mm左右，采用温度补偿算法后温漂降低到0.5 mm和0.3 mm左右，满足产品（6 μm+5 ppm×L）/℃的温漂要求，其中L为组件长度。

图7(a)和图7(b)是位移精度测试图，图中横坐标为光栅尺测得的位移，纵坐标为本系统测试得到的位移与光栅尺测得位移的误差值。图7(a)为未非线性位移补偿前的测量误差，图7(b)为补偿后的测量误差。由图可知，经补偿后在整个量程范围内，测量误差控制在±0.1 mm范围内，满足系统精度的要求[6]。

5 总结

本文提出了基于Profibus-DP总线的位移传感器设计方案，采用ARM+FPGA的系统架构将位移测量转化为时间测量。测量结果表明，该位移传感器分辨率达到10 μm，通过设计温漂补偿算法和非线性位移补偿算法，测量精度达到±0.1 mm，满足设计要求。系统采用Profibus-DP总线，实现了位移传感器网络化、智能化的要求。实践表明，将该位移传感器应用在工业机床中，运行稳定，测量结果准确，抗干扰能力强。

参考文献

[1] 刘强，甘永梅，王兆安.PROFIBUS-DP现场总线通讯接口的开发[J].电子技术应用，2001(9)：39-41.

[2] 蒋恺.基于ARM的磁致伸缩位移传感器的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2012.

[3] 宋岩.ARM Cortex-M3权威指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[4] ZHANG P，SHI Y.A design of slave station interface circuit of Profibus-DP[C].Computer Science and Service System(CSSS)，2011 International Conference on.IEEE，2011：1927-1930.

[5] 李丛珊，姜印平.一种磁致伸缩位移传感器的优化设计方法[J].传感技术学报，2014(9)：1202-1207.

[6] SECO F，MARTIN J M，JIMENEZ A R.Improving the accuracy of magnetostrictive linear position sensors[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement，2009，58(3)：722-729.

基于MEMS滑坡深部位移监测技术剖析与应用

罗红星 陈贺 王毅

云南大永高速公路有限公司 云南省交通投资建设集团有限公司 云南省交通规划设计研究院有限公司

摘 要： 深部位移能够有力支撑滑坡稳定性评价和防治措施。根据不同类型的基于MEMS深部位移监测装置的长期使用经验，针对MEMS传感电路失效，提出选取性能更优的MEMS传感器、构建MEMS芯片保护装置、采用柔性关节增加变形能力一系列解决措施。通过某高速公路滑坡监测应用结果表明:改进后的深部位移监测装置能够长期适应地下水环境，可以高频、无间断地采集深部位移数据，具备数据量大、量程大等优点。

关键词： 滑坡监测;深部位移;改进措施;

基金： 云南省交通运输厅科技创新及示范项目(云交科教[2017]33);交通部科技示范工程项目(2017-09);

随着我国国民经济的快速发展和科学技术水平不断提高，科学有效地开展滑坡灾害的监测预警，正确认识滑坡的变形演化规律并发布预警预报信息，及时采取强有力的应急保障措施，已成为主动防灾减灾的重要手段之一。

滑坡监测预警实践结果表明，位移是是滑坡失稳破坏前最直观的外在表现，也是滑坡发生大规模失稳破坏的必要条件，主要包括地表位移和深部位移2类。深部位移可用于确定滑动面的深度分布形态、评价斜坡的稳定性状态、支撑支护措施的动态设计和信息化施工，相比地表位移具有一些显著的优势。尤其是近年随着计算机技术、电子通信技术的快速发展，基于MEMS的深部位移监测技术的问世为深部位移远程自动化实时监测提供了更为有效的手段。该设备能够准确地采集滑坡从变形启动至失稳破坏过程的全部深部位移数据。

然而，该深部位移监测装置被引进国内并进行监测实践应用后中发现，复杂水文地质环境条件下基于MEMS监测装置时常会发生破坏，进而造成无法采集深部位移数据。因此，本文主要针对该深部位移监测装置存在的问题提出解决措施，并通过工程应用进行验证，以期能够更好地开展深部位移远程自动化实时监测。

1 基于MEMS滑坡深部位移监测技术

微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是一种先进的制造技术平台，是以半导体制造技术为基础发展起来的，是微电路和微机械按功能要求在芯片上集成，其尺寸通常在毫米或微米级，具体见图1所示。自80年代中后期问世以来迅速发展，被认为是继微电子技术之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术革新，最初大量用于汽车安全气囊，而后以MEMS传感器的形式被大量应用在各个领域。

图1 MEMS芯片 下载原图

在滑坡监测技术领域中，加拿大Measurand公司采用光纤光栅传感器测量弯曲角度、分析位移曲线过程中发现，MEMS传感器也能够开展静态和动态测量，因此该公司为了扩展岩土工程测量业务范围，联合美国伦斯勒理工大学成功研发了专业的滑坡深部位移监测装置。

该装置是由子阵列串联而成，每个子阵列内置多个MEMS加速度传感器、1个微处理器。MEMS加速度传感器能够测量重力加速度在3个垂直方向的变化，微处理器用来收集并发送子阵列的测试数据。

如图2所示，子阵列中MEMS加速度传感器可以测量弯曲角度和方向，通过换算得到每个子阵列的位移量，然后累计求和得到总变形量。

图2 子阵列计算简图 下载原图

2 监测技术剖析

自基于MEMS深部位移技术被提出以来，鉴于该技术的广阔市场前景，众多国家纷纷投入大量的人力和物力研发相关产品。为了利用其深部位移的监测优势开展滑坡的预警预报研究，笔者先后在不同地区应用了不同类别的MEMS深部位移监测产品，总结分析了基于MEMS深部位移监测装置存在的问题。

由于滑坡体具有变形时间长、变形量大等特点，因此要求MEMS深部位移监测装置必须能够长时间连续大变形监测。但是实际使用过程中发现，受局部大变形、地下环境腐蚀等因素的影响，导致某个深度处的MEMS传感电路失效，无法收集到其下测各子阵列的深部位移数据;而且作为地下监测装置，难以进行维修，只能够重新购置、钻孔，再行安装，耗费大量的人力和财力。

3 主要措施

3.1 选取性能更优的MEMS传感器

目前，国际上主流的MEMS加速度传感器芯片供应商主要包括:美国ADI公司、意法半导体(ST Microelectronics)公司、芬兰VTI公司;经过初步筛选认为，适用于深部位移倾角测量的MEMS加速度芯片型号主要包括:ADI公司生产的ADXL213和ADXL355型号，意法半导体公司生产的LIS3DSH和LIS332AR型号;芬兰VTI公司生产的SCA100T型号。各种不同型号的MEMS传感芯片具体技术参数指标见表1。

不同类型的传感器具有不同的特点，ADXL213型号的传感器仅能够测量2方向的角度，LIS3 DSH和LIS332AR型号的传感器芯片尺寸最小，ADXL355型号的传感器芯片噪声最小。综合比较后认为，LIS3DSH、LIS332AR、ADXL355三种型号的传感器更适用于深部位移监测装置，LIS3DSH、LIS332AR、ADXL355型号的传感器均可同时测量3个方向的倾角，满足深部位移监测装置多方向测量的需要;LIS3DSH、LIS332AR型号的传感器体积最小，仅只有3×3×1mm，满足小管径深部位移测量单元的需要，能够承受更多的变形;ADXL355型号的传感器噪声比小，仅有25mg/√HZ，测得的倾角精度应该更高，便于开发高精度深部位移监测装置。

表1 不同类型MEMS传感器芯片指标参数 下载原图

3.2 构建MEMS芯片保护装置

考虑到深部位移监测装置被埋入在地下，长期处于地下水文地质环境中，遭受着地下水的侵蚀，因此核心部件MEMS传感器的密封和防水对于整个装置的长期工作性能非常关键。为了尽可能达到防水的最高等级:IP68防水等级，在MEMS传感芯片的封装上，采用MEMS芯片、MEMS传感电路、MEMS深部位移监测装置等多层封装，具体见图3所示。

图3 封装后的监测装置 下载原图

3.3 采用柔性关节增加变形能力

深部位移监测装置中，柔性关节虽然仅是用于连接子阵列的构件，但是监测实践中，其作用很大。通过柔性关节可以连接2个刚性的结构单元，形成刚柔结构。该刚柔结构一方面能够有效吸收变形产生的能量，另一方面能够确保深部位移监测装置的大变形测量能力。为了增加MEMS深部位移监测装置的大变形监测能力，要求该柔性关节具有一定的抗压、抗拉和抗扭性能，且在子阵列转动过程中不会弯折断裂。

为了达到上述目的，经过市场材料调研后认为采用液压橡胶油管作为柔性关节的主要组成部分，具体见图4所示。图4所示的柔性关节内置钢筋网、外置液压橡胶油管，油管与两端钢管的连接采用液压缩紧工艺完成。柔性关节内部预留电缆通道，具备一定的抗拉、抗压和抗扭转能力，能够承受较大角度的弯折变形。

图4 柔性关节 下载原图

4 工程应用验证

4.1 滑坡概况

某高速公路K29+705～+815段位于构造侵蚀中切割中山地貌区，路线以半填半挖形式通过，左幅填方下边坡设有挡土墙，右幅按照1∶1.0开挖，每级边坡的开挖高度为8m,2015年12月该路段基本修建完成。2016年3月，该段边坡发生滑动，具体见图5所示。

图5 滑坡的宏观变形迹象 下载原图

4.2 地质条件

该滑坡位于云南省西南部文井构造盆地与者后构造盆地之间的构造侵蚀中山地貌区，总体地形北高南低，山顶多呈馒头状，山脊较平缓，山坡坡度介于20°～40°，沟谷多呈“V”字型，谷底有少量坡洪积堆积体;坡脚为省道S222，省道S222的下方为川河;变形区的顶部均为农田，呈现上缓下陡，上部的高程为1200m，下部高程为1150m，相对高差为50m。

如图6所示，根据钻孔揭露，稳定水位的深度约为10m，该滑坡段地层自上而下分别为:

(1)人工堆积(Qml)层，主要为公路施工后的填方和弃方，岩性以全、强风化泥岩为主，工程性质一般;

(2)第四系坡残积(Qdl+el)层，广泛分布于滑坡地层的表层，岩性以硬塑状态黏土为主，不同程度地含风化碎石、角砾;平面分布及空间展布不均匀，一般厚度1～3m;

(3)侏罗系上统坝注路组(J3b)

该地层为海陆交互的碎屑岩沉积，岩性以紫红色、暗红色泥岩夹砂岩、泥灰岩透镜体，岩石风化强烈、破碎。

图6 滑坡工程地质剖面图 下载原图

为了更好地验证所提出措施的改进效果，在该滑坡的典型位置处安装了深部位移监测装置，监测深度为30m，具体见图7所示。

图7 安装后的深部位移监测装置 下载原图

4.3 监测结果分析

图8为不同时刻的位移与孔深之间的关系曲线，由图可知，从孔深0～2.0m，深部位移呈线性减小，地表处的位移量最大，孔深大于2.0m时，X方向的深部位移接近于零且变化较小，Y方向的位移首先为负值而后变为正值。受降雨的影响，2016年6月16日至7月16日和2016年8月16日至9月16日期间的深部位移增加较大;随着孔深的增加，深部位移近似呈线性减小，上部位移减小速率较大，下部位移的减小速率较小。出现此特点的主要原因:6.5m以上为黏土和全风化泥岩，6.5m以下为强风化的泥岩。截止至2017年9月3日，在地表位置处，顺坡向位移量达到90cm，垂直顺坡向位移达到32cm。

经过长期的远程自动化采集深部位移数据的实践结果表明，改进后的MEMS深部位移监测装置能够长期适应地下水环境，可以高频、无间断地采集深部位移数据，具备数据量大、量程大等优点，完全能够捕捉到滑坡变形演化过程中的关键位移数据。

图8 不同时刻深部位移与时间之间的关系 下载原图

5 结语

开展深部位移监测对于滑坡的稳定性评价和防治措施具有重要的意义。本文主要针对新型深部位移监测装置在应用过程中存在的MEMS传感电路失效问题，提出选用性能优良的MEMS传感器、构建MEMS芯片保护装置、采用柔性关节增加变形能力一系列措施，并在某高速公路工程滑坡上进行了应用。结果表明:改进后的深部位移监测装置能够长期适应地下水环境，可以高频、无间断地采集深部位移数据，具备数据量大、量程大等优点。

参考文献

[1] 许强，汤明高，黄润秋．大型滑坡监测预警与应急处治．北京:科学出版社，2015．

[2] 程建军．路堑边坡变形监测与稳定性安全评估方法．北京:人民交通出版社，2016．

[3] 范宣梅，许强，黄润秋，等．丹巴县城后山滑坡锚固动态优化设计和信息化施工．岩石力学与工程学报，2007,26(S2):4139-4146．

[4] Dasenbrock D.Automated Landslide Instrumentation Programs on US Route 2 in Crookston,MN.Proceedings of the Annual Conference of the Minnesota Geotechnical Society,2010,165-185．

[5] Dasebrock D D,Levesque C L,Danisch L.Long-term rate behavior monitoring using automated MEMS-based sensing arrays in an urban landslide environment.Proceedings of the 11th International Symposium on Landslides(ISL) and the 2nd North American Symposium on Landslides.Alberta,Canada:CRC Press,2012．

[6] Danisch L A.Fiber optic bending and positioning sensor.International PCT Patent,1998．

[7] Danish L A,Abdoun T,Lowery-Simpson M.Shape-Acceleration measurement device and method.2004,US Patent,7296363B2．

[8] Abdoun T,Danisch L,Ha D,et al.Advanced sensing for realtime monitoring of geotechnical systems.85thMeeting of the Transportation Research Board Compendium of Papers,Washington,2005．

[9] Bennett V.G..Development of a MEMS-based in-place inclinometer-accelerometer array for monitoring and evaluation of geotechnical systems.Rensselaer Polytechnic Institute,2010．

[10] Danisch L.Shape Accel Array(SAA).Measurand inc.

声明： 我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。

相关问答

[最佳回答]直线位移传感器,拉绳位移传感器,LVDT位移传感器,超声波传感器,磁致伸缩位移传感器,红外位移传感器,激光位移传感器其中直线位移传感器最有价格优势...

电涡流传感器,电容传感器,微波测距传感器。相位测量激光传感器电涡流传感器,电容传感器,微波测距传感器。相位测量激光传感器

[最佳回答]以电容器为敏感元件,将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器.电容传感器的方法很多,常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进...

使用位移传感器位移传感器是把物体的运动位移转换成可测量的电学量一种装置。通常用于把不便于定量检测和处理的位移、位置、形变、振动、尺寸等物理量转换为...

[最佳回答]应该没有位移传感器会输出脉冲信号,这是由位移传感器的原理决定的。位移传感器都是输出数字信号或者模拟量信号。脉冲信号一般是编码器输出的,或者...

屏蔽线,屏蔽线缆可防护外界静电干扰、电磁干扰与高频干扰对传输信号的影响,提高传输数据的质量。屏蔽线,屏蔽线缆可防护外界静电干扰、电磁干扰与高频干扰对...

位移传感器又称为线性传感器,是一种属于金属感应的线性器件,传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。在生产过程中,位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械...

同步马达是一种不需要位移传感器的驱动器,因为它可以根据电机转子位置和速度的反馈信号来进行控制。但如果确实需要加入位移传感器,可以考虑以下几种方法:1...

不对,比如雷达也可以是一种位移传感器,它就是发射、接收电磁波信号工作的;干簧管位移传感器是接收磁场变化信号的。位移传感器又称为线性传感器,是一种属于...

位移传感器输入的是位移信号,物理量,物体相对移动量。位移传感器又称为线性传感器,是一种属于金属感应的线性器件。传感器的作用是把各种被测物理量转换为电...