（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事理且支持Profibus-DP总线通信协议的位移丈量系统。系统采取ARM+FPGA的架构，FPGA实现勉励旗子暗记产生、回波旗子暗记检测及接口掌握等功能，ARM实现系统的主控、位移的打算、位移的非线性和温度补偿、通信掌握等功能。测试结果表明，所设计的位移丈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，丈量精度达到±0.1 mm，温漂掌握在预定例模内。系统运行稳定，抗滋扰能力良好，达到了设计哀求。
磁致伸缩；位移传感器；Profibus-DP协议
中图分类号：TN913；TH711
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].电子技能运用，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 弁言
丈量技能是当代工业生产和科学研究中必不可少的一项技能，个中基于磁致伸缩效应的位移丈量技能因其稳定性好、量程大以及便于安装掩护等优点，被广泛运用于各种民用和军用领域。同时，随着信息技能的发展，工业掌握系统正朝网络化、分散化和智能化方向发展，现场总线因其所具有的抗滋扰能力、数字通信、高环境适应性等特点，良好地知足了此趋势哀求。
Profibus总线技能由德国SIEMENS公司于1987年提出，具有统一总线标准、传输速率快、对繁芜系统适应性强以及运用广、可实现“即插即用”的特点。个中ProfibusDP是一种高速的低本钱通信连接，用于设备及掌握系统与分散式I/O设备间的通信，在工业现场运用最广泛[1]。
本文设计了一种基于Profibus-DP协议的位移传感器，采取ARM+FPGA架构，实现了基于磁致伸缩事理的位移丈量，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事理，系统通过产生一定周期的勉励脉冲勉励波导丝，当勉励波碰着位移丈量处的永久磁铁的磁场时将产生磁致伸缩效应，所产生的旋转波将沿着波导丝以固定的速率传播，通过在近端检测旋转波和勉励波的韶光差即可以实现位移的丈量[2]。磁致伸缩位移丈量系统事情事理如图1所示。
本文设计的传感器电路紧张包括勉励脉冲发生模块、回波吸收模块、回波检测和丈量模块、位移打算和补偿模块、Profibus-DP总线通信模块、主控模块等。个中主控处理器选用ST公司的基于ARM Cortex-M3[3]内核的STM32F103CB完成系统主控、位移打算和补偿等功能；Actel公司的A3P060 FPGA作为高速单元实现高精度的回波检测和丈量；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。
系统事情时，A3P060按照设定的周期T掌握勉励脉冲发生模块产生勉励脉冲，勉励脉冲电流将产生环向磁场并沿着波导丝传播，碰着待丈量位置磁铁的磁场时，产生磁致伸缩效应，波导丝将产生机器旋转，从而形成旋转波沿波导丝传播，在近端被回波检测装置转换为电旗子暗记送入回波吸收模块中处理。回波吸收模块会对旗子暗记进行滤波和放大处理后送入比较器，并由A3P060完成回波旗子暗记的韶光检测。A3P060将检测得到的韶光信息通过SPI接口发送至处理器STM32F103CB，STM32F103CB利用数据处理和位移打算算法对采集到的韶光信息进行位移打算、温度补偿以及位移非线性补偿处理后，末了将打算的位移经SPI接口传送至Profibus-DP通信模块VPC3+S，完成与主站的数据交流。
系统设计中采取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，以担保数据的可靠通信。
温湿度传感器选用DHT11数字温湿度传感器，采取单线双向制，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，最多支持利用126个站点，各站点授予唯一的逻辑地址。DP系统采取令牌掌握+分时轮询的Token_Passing主从轮询协议，兼具分散式和主从式掌握机制特点，特殊适宜对反应韶光、可靠性、网络负荷有分外哀求的通信。
本系统选用VPC3+S实现Profibus-DP总线协议，采取SPI接口实现VPC3+S与STM32F103CB的通信。VPC3+S是完全集成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
主流程紧张进行系统及各模块的初始化以及数据处理和位移打算，流程图如图3。
上电时，首先系统初始化，设置STM32F103CB事情频率。接着对GPIO、SPI等外设进行初始化操作，点亮LED事情指示灯。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中断吸收韶光数据，主程序对回波峰整形、韶光数据滤波，再打算位移并对位移结果进行温度补偿和非线性补偿。末了，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 位移打算模块
FPGA将韶光数据通过SPI发送到STM32F103CB，如果有符合条件的回波峰，选出并打算该峰上升沿和低落沿的均匀值，然后将该均匀值送入数据滤波处理函数进行去极值均匀处理，提高数据稳定性，末了将处理后的位移值通过SPI发送给VPC3+S通信芯片。位移打算流程图如图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低落沿的韶光均匀值作为当前回波峰的韶光数据。
系统的韶光数据采取去极值均匀滤波，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，得到终极的延时数据，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]。紧张内容包括：中断及功能寄存器值配置、从站地址值设定、看门狗设置、内部空间打算、缓冲区分配等。初始化流程如图5所示。
从站系统经由初始化操作和使能，通过主站确认信息进入事情状态，与主站进行循环数据交流。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。同时从站可以及时相应主站的参数化、组态、修正地址等中断要求。
4 系统调试与测试
从站搭建调试完成，构建完全通信系统还需主站。本设计利用瑞典HMS工业网络有限公司供应的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泰平承平和降温情形下测得的温漂结果。测试时保持丈量位置不变，改变环境温度，测得相应的位移信息。图中横坐标为温度，纵坐标为丈量得到的位移，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旁边，采取温度补偿算法后温漂降落到0.5 mm和0.3 mm旁边，知足产品（6 μm+5 ppm×L）/℃的温漂哀求，个中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偏差值。图7(a)为未非线性位移补偿前的丈量偏差，图7(b)为补偿后的丈量偏差。由图可知，经补偿后在全体量程范围内，丈量偏差掌握在±0.1 mm范围内，知足系统精度的哀求[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，采取ARM+FPGA的系统架构将位移丈量转化为韶光丈量。丈量结果表明，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，丈量精度达到±0.1 mm，知足设计哀求。系统采取Profibus-DP总线，实现了位移传感器网络化、智能化的哀求。实践表明，将该位移传感器运用在工业机床中，运行稳定，丈量结果准确，抗滋扰能力强。
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拓[J].电子技能运用，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威信指南[M].北京：北京航空航天算夜学出版社，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].传感技能学报，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.
