CN113162831B - 一种可级联自编址的倾角传感器及其编址方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种可级联自编址的倾角传感器及其编址方法，属于可级联自编址的倾角传感器技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种可级联自编址的倾角传感器硬件结构及其编址方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：一种可级联自编址的倾角传感器，包括设置在传感器壳体内的控制电路板，所述控制电路板上集成有中央控制器和数据通信模块，所述中央控制器通过导线分别与数据通信模块、角度监测模块双向连接；所述中央控制器的电源输入端与电源模块相连；本发明应用于倾角传感器。

Description

一种可级联自编址的倾角传感器及其编址方法
技术领域
本发明一种可级联自编址的倾角传感器及其编址方法，属于可级联自编址的倾角传感器技术领域。
背景技术
随着近年来工业自动化向着智能化发展，对神经末梢传感系统的需求越来越多，监控系统使用的设备一般携带多个同种传感器进行数据采集工作；例如监控一个液压支架姿态的动态变化需要安装3-5个倾角传感器，监控一台自移机尾设备需要连接4个以上的倾角传感器进行数据采集，多倾角传感器的连接对数据传输的硬件和软件提出了更高的要求，上述多传感器的应用场景，目前均采用传感设备出厂唯一的通信地址，现场专用设备编址或者硬件拨码编址，这些传感设备在多应用场景给现场管理、施工和后续维护，如备件更换、重新编址等工作中都带来一定的困难，导致传感器使用局限性大，重新安装进行地址配置的工作量大，严重影响传感器的使用效率，测量精度较差。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种可级联自编址的倾角传感器硬件结构及其编址方法的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种可级联自编址的倾角传感器，包括设置在传感器壳体内的控制电路板，所述控制电路板上集成有中央控制器和数据通信模块，所述中央控制器通过导线分别与数据通信模块、角度监测模块双向连接；
所述中央控制器的电源输入端与电源模块相连；
所述中央控制器内部使用的芯片为控制芯片U1；
所述数据通信模块内部使用的芯片为通信芯片U2，型号为MAX3485；
所述角度监测模块内部使用的芯片为传感器芯片U3，型号为MPU6050；
所述电源模块的内部设置有MOS管Q1和三极管Q2，所述MOS管Q1的型号为IRFR5410，所述三极管Q2的型号为HE8050；
所述中央控制器的外围电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚与通信芯片U2的1脚相连；
所述控制芯片U1的2脚分别与通信芯片U2的2脚、3脚相连；
所述控制芯片U1的3脚与通信芯片U2的4脚相连；
所述通信芯片U2的5脚接地；
所述通信芯片U2的6脚并接电阻R17的一端，电阻R25的一端后与电阻R19的一端相连，所述电阻R25的另一端与3.3V输入电源相连，所述电阻R19的另一端分别与TVS二极管D8的2脚、设备接口P2的2脚相连；
所述通信芯片U2的7脚并接电阻R5的一端、电阻R17的另一端后与电阻R15的一端相连，所述电阻R15的另一端分别与TVS二极管D8的1脚、设备接口P2的3脚相连；
所述通信芯片U2的8脚并接电容C15的一端后与电阻R14的一端相连，所述电阻R14的另一端与3.3V输入电源相连，所述电容C15的另一端并接电阻R5的另一端后接地；
所述控制芯片U1的4脚与电阻R23的一端相连，所述电阻R23的另一端并接电阻R24的一端后与三极管Q2的基极相连；
所述三极管Q2的集电极并接电阻R16的一端后与MOS管Q1的栅极相连，所述MOS管Q1的漏极与设备接口P2的1脚相连；所述MOS管Q1的源极并接电阻R16的另一端后与12V输入电源相连；
所述三极管Q2的发射极并接电阻R24的另一端、设备接口P2的4脚后接地；
所述控制芯片U1的5脚与传感器芯片U3的23脚相连；
所述控制芯片U1的6脚与传感器芯片U3的24脚相连；
所述控制芯片U1的7脚与传感器芯片U3的12脚相连；
所述传感器芯片U3的1脚并接传感器芯片U3的11脚，电阻R4的一端后接地；
所述传感器芯片U3的9脚并接电阻R4的另一端后与电阻R9的一端相连；
所述传感器芯片U3的8脚并接传感器芯片U3的13脚、电容C3的一端后与电阻R12的一端相连，所述电阻R12的另一端与3.3V输入电源相连；
所述传感器芯片U3的18脚并接电容C3的另一端、电容C5的一端、电容C7的一端后接地；
所述传感器芯片U3的20脚与电容C5的另一端相连；
所述传感器芯片U3的10脚与电容C7的另一端相连。
一种可级联自编址的倾角传感器的编址方法，包括如下步骤：
步骤一：控制中央控制器执行预设的自动编址程序以完成中央控制器对在线设备监测、电源模块对下级供电控制、角度监测模块对下级设备编址工作；
步骤二：将上电的倾角传感器默认为初始设备，且当中央控制器没有监测到其它设备时，自行给初始设备进行编址；
步骤三：若中央控制器检测到总线上有设备，中央控制器将对总线上有初始设备进行通知并等待编址，当初始设备编址成功后中央控制器控制电源模块给下级设备上电；
步骤四：已完成编址的设备监控总线有空闲设备且无下级设备，中央控制器将编址初始设备为下级设备；
步骤五：当倾角传感器监测到掉线后，由中央控制器发送信号控制电源模块断开后级设备供电。
所述步骤二中对初始设备进行编址具体为：设备上电后通知中央控制器总线有初始设备上线，超时无设备时将给初始设备编地址，初始设备给自己编有效最小地址为1。
所述步骤三中电源模块给下级设备上电具体为：当初始设备编址完成后，由初始设备打开下级供电，下级设备供电后通知总线上有初始设备上线，首个编号为1的设备收到有新设备上线的信号，将给新设备按顺序进行编址，新设备编号为2；
2号设备编址完成后，将继续给下级设备供电，并按顺序给下级设备编号，由2号设备给3号设备编号，3号设备给4号设备编号，以此类推。
所述步骤四中编址下级设备具体为：已编号设备同时进行下级设备的在线监测，当下级设备不在线时，若有新增设备，将新增设备编号为下级设备。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供一种具备自动编址、可标定、可级联应用的倾角传感器，其内部设置有相应的级联控制电路和角度监测电路，装置控制器同时改进了通信标定算法和自编址算法，可应用于多倾角检测场所，如采煤机、自移机尾、迈步自移动、液压支架、工程机械等，对比现有技术，本发明主要通过下级供电控制电路、485通信电路配合自动编址算法实现多传感器应用时的自适应调整，自动分配通信地址，并基于角度标定算法可以实现传感器的随时动态标定，有效提高传感器的检测精度。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明自动编址方法的流程图；
图中：1为中央控制器、2为数据通信模块、3为角度监测模块、4为电源模块。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明一种可级联自编址的倾角传感器，包括设置在传感器壳体内的控制电路板，所述控制电路板上集成有中央控制器1和数据通信模块2，所述中央控制器1通过导线分别与数据通信模块2、角度监测模块3双向连接；
所述中央控制器1的电源输入端与电源模块4相连；
所述中央控制器1内部使用的芯片为控制芯片U1；
所述数据通信模块2内部使用的芯片为通信芯片U2，型号为MAX3485；
所述角度监测模块3内部使用的芯片为传感器芯片U3，型号为MPU6050；
所述电源模块4的内部设置有MOS管Q1和三极管Q2，所述MOS管Q1的型号为IRFR5410，所述三极管Q2的型号为HE8050；
所述中央控制器1的外围电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚与通信芯片U2的1脚相连；
所述控制芯片U1的2脚分别与通信芯片U2的2脚、3脚相连；
所述控制芯片U1的3脚与通信芯片U2的4脚相连；
所述通信芯片U2的5脚接地；
所述通信芯片U2的6脚并接电阻R17的一端，电阻R25的一端后与电阻R19的一端相连，所述电阻R25的另一端与3.3V输入电源相连，所述电阻R19的另一端分别与TVS二极管D8的2脚、设备接口P2的2脚相连；
所述通信芯片U2的7脚并接电阻R5的一端、电阻R17的另一端后与电阻R15的一端相连，所述电阻R15的另一端分别与TVS二极管D8的1脚、设备接口P2的3脚相连；
所述通信芯片U2的8脚并接电容C15的一端后与电阻R14的一端相连，所述电阻R14的另一端与3.3V输入电源相连，所述电容C15的另一端并接电阻R5的另一端后接地；
所述控制芯片U1的4脚与电阻R23的一端相连，所述电阻R23的另一端并接电阻R24的一端后与三极管Q2的基极相连；
所述三极管Q2的集电极并接电阻R16的一端后与MOS管Q1的栅极相连，所述MOS管Q1的漏极与设备接口P2的1脚相连；所述MOS管Q1的源极并接电阻R16的另一端后与12V输入电源相连；
所述三极管Q2的发射极并接电阻R24的另一端、设备接口P2的4脚后接地；
所述控制芯片U1的5脚与传感器芯片U3的23脚相连；
所述控制芯片U1的6脚与传感器芯片U3的24脚相连；
所述控制芯片U1的7脚与传感器芯片U3的12脚相连；
所述传感器芯片U3的1脚并接传感器芯片U3的11脚，电阻R4的一端后接地；
所述传感器芯片U3的9脚并接电阻R4的另一端后与电阻R9的一端相连；
所述传感器芯片U3的8脚并接传感器芯片U3的13脚、电容C3的一端后与电阻R12的一端相连，所述电阻R12的另一端与3.3V输入电源相连；
所述传感器芯片U3的18脚并接电容C3的另一端、电容C5的一端、电容C7的一端后接地；
所述传感器芯片U3的20脚与电容C5的另一端相连；
所述传感器芯片U3的10脚与电容C7的另一端相连。
一种可级联自编址的倾角传感器的编址方法，包括如下步骤：
步骤一：控制中央控制器1执行预设的自动编址程序以完成中央控制器1对在线设备监测、电源模块4对下级供电控制、角度监测模块3对下级设备编址工作；
步骤二：将上电的倾角传感器默认为初始设备，且当中央控制器1没有监测到其它设备时，自行给初始设备进行编址；
步骤三：若中央控制器1检测到总线上有设备，中央控制器1将对总线上有初始设备进行通知并等待编址，当初始设备编址成功后中央控制器1控制电源模块4给下级设备上电；
步骤四：已完成编址的设备监控总线有空闲设备且无下级设备，中央控制器1将编址初始设备为下级设备；
步骤五：当倾角传感器监测到掉线后，由中央控制器1发送信号控制电源模块4断开后级设备供电。
如图1所示，本发明提供一种可级联控制的倾角传感器，具有自动编址、可标定功能，能够适用于各种应用环境，本发明针对该类型传感器设计有专用的供电控制电路、串口通信电路和角度监测电路。
所述电源模块中的供电控制电路设置有单片机控制信号端口M_OK，三极管Q2和MOS管Q1，在工作时M_OK端口用于控制三极管Q2导通，三极管Q2导通后可以控制MOS管Q1导通，实现VCC12V电源给下级设备的接口P2进行供电，实现由单片机控制芯片发出控制信号控制下级设备的供电。
所述数据通信模块中的串口通信电路设置有RS485通信收发器MAX3485，并将终端电阻R17、TVS阵列二极管D8、RS485_N、RS485_P通信端口同时连接到入口通信接口和出口通信接口，实现上下级设备的并列通信。
所述角度监测模块中设置有6轴倾角控制芯片及外围电路，角度监测模块通过I2C接口与单片机芯片进行数据交互，所述倾角控制芯片内置DMP处理器运算倾角可以达到0.1°精度。
本发明在使用时，通过运行微控制器内部预设的自动编址程序进行工作：自动编址程序主要完成在线设备监测，下级供电控制，下级设备编址等工作；设备上电默认为初始设备，当在线设备监测到无其它设备时，自动给自己进行编址；若总线上有设备，微控制器将对总线上有初始设备进行通知，并等待编址，当初始设备编址成功后给下级设备上电；已完成编址的设备监控总线有空闲设备且无下级设备，编址初始设备为下级设备；另外还设置有针对倾角传感器的掉线监测功能，当监测到传感器掉线后，将控制断开后级设备供电；
上述在线监测和编址功能均通过485总线MODBUS-RTU站号监测和写特定地址数据实现，本发明在进行角度标定测算时，将倾角传感器安装到标准平面或者设定参考平面，标定主机通过485接口采用标准MODBUSRTU协议写入设定地址数据开始标定。
进一步的，本发明的控制电路包括前级供电、角度监测、串口通信电路和后级供电控制电路，电源模块中的前级供电来源于级联连接的上级设备，后级供电控制电路实现后级设备的供电控制，串口通信电路使前后级并联，用于数据传输和级联设备通信；角度监测电路通过内部总线获取角度芯片原始欧拉角信息，中央控制器CPU为运算处理传感器反馈信息的核心部分。
本发明提供的供电控制电路，实现级联供电控制的硬件实现部分，端口VCC_12V为前级供电，MOS管Q1限制前级供电向下级设备供电，采用MOS管可以有效降低向下级供电时的压降损耗；端口M_OK为中央处理器控制引脚，M_OK配合电阻R23、R24和NPN三极管Q2实现控制信号的反转，实现通过M_OK端口控制引脚上电或者故障时的低电平反转为高电平，高电平实现MOS管Q1截止；电阻R16上拉VCC_12V用于限制M_OK反转后的高电平为MOS管Q1匹配高电平，这样可以实现M_OK信号控制级联的供电控制，级联供电控制的处理方法基于本发明自动编址控制程序实现。
所述数据通信模块具体为串口通信模块，模块电路中主要由MAX3485芯片及附属器件外围电路组成，其端口UART_RX、UAET_TX和TXRX_EN信号引入传感器的中央处理器，可对信号进行自由切换接收和发送；端口RS485_P、RS485_N端口并入前级和后级通信总线，级联设备的通信总线共享，只要设备上电即可监控总线数据交互情况，为设备提供数据交互硬件接口；端口RS485_P、RS485_N线间采用TVS阵列D8，电阻R15和R19串接在信号线内进行抗干扰设计，可以用于抗脉冲和静电对控制电路的冲击；电阻R5和R25作为上下拉电阻，电阻R17作为终端电阻钳制总线电压增加总线驱动能力和适应性。
在角度监测模块的控制电路中，采用3轴陀螺仪、3轴加速度传感芯片U3，通过其端口IIC_SCL和IIC_SDL(I2C)总线和CPU进行数据通信，传感芯片U3内置DMP处理器可以将3轴陀螺仪、3轴角速度数据进行滤波、融合处理，直接输出姿态解算后的姿态数据（欧拉角度），其姿态解算频率最高可达200Hz，精度可以达到0.1°；传感芯片通过I2C总线与CPU建立数据连接，CPU将欧拉角度转换为标准倾角数据通过显示屏进行显示。
如图2所示为本发明自动编址方法的基本流程，在开始编址时，设备设置有初始编号（无效编号255）；设备上电后通知总线有初始设备上线，超时无设备时将给自己编地址，设备给自己编有效最小地址为1，这样即可完成首个设备的编址；编址完成后，设备打开下级供电，下级设备供电后，首先通知总线上有初始设备上线（255编号设备），首个设备（编号为1设备）收到有新设备上线的信号，就给新设备按顺序进行编址（编号为2）；新设备（2号）编制完成后，继续给下级供电，按顺序给下级设备编号（即2号设备给3号设备编号，3号设备给4号设备编号，以此类推）；已编号设备同时进行下级设备在线监测，下级设备不在线时，若有新增设备，将新增设备编号为下级设备；基于上述步骤即可实现当前最大号设备给下级设备编号，实现了级联设备的自由增加和自动编号。
本发明采用的角度标定算法具体为：基于MODBUS协议写设备设定地址触发传感器标定功能，传感器收到标定请求后以当前角度为0°进行校正，并将校准参数写入CPU的FLASH存储器进行存储，以保证掉电不丢失。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种可级联自编址的倾角传感器，其特征在于：包括设置在传感器壳体内的控制电路板，所述控制电路板上集成有中央控制器（1）和数据通信模块（2），所述中央控制器（1）通过导线分别与数据通信模块（2）、角度监测模块（3）双向连接；
所述中央控制器（1）的电源输入端与电源模块（4）相连；
所述中央控制器（1）内部使用的芯片为控制芯片U1；
所述数据通信模块（2）内部使用的芯片为通信芯片U2，型号为MAX3485；
所述角度监测模块（3）内部使用的芯片为传感器芯片U3，型号为MPU6050；
所述电源模块（4）的内部设置有MOS管Q1和三极管Q2，所述MOS管Q1的型号为IRFR5410，所述三极管Q2的型号为HE8050；
所述中央控制器（1）的外围电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚与通信芯片U2的1脚相连；
所述控制芯片U1的2脚分别与通信芯片U2的2脚、3脚相连；
所述控制芯片U1的3脚与通信芯片U2的4脚相连；
所述通信芯片U2的5脚接地；
所述通信芯片U2的6脚并接电阻R17的一端，电阻R25的一端后与电阻R19的一端相连，所述电阻R25的另一端与3.3V输入电源相连，所述电阻R19的另一端分别与TVS二极管D8的2脚、设备接口P2的2脚相连；
所述通信芯片U2的7脚并接电阻R5的一端、电阻R17的另一端后与电阻R15的一端相连，所述电阻R15的另一端分别与TVS二极管D8的1脚、设备接口P2的3脚相连；
所述通信芯片U2的8脚并接电容C15的一端后与电阻R14的一端相连，所述电阻R14的另一端与3.3V输入电源相连，所述电容C15的另一端并接电阻R5的另一端后接地；
所述控制芯片U1的4脚与电阻R23的一端相连，所述电阻R23的另一端并接电阻R24的一端后与三极管Q2的基极相连；
所述三极管Q2的集电极并接电阻R16的一端后与MOS管Q1的栅极相连，所述MOS管Q1的漏极与设备接口P2的1脚相连；所述MOS管Q1的源极并接电阻R16的另一端后与12V输入电源相连；
所述三极管Q2的发射极并接电阻R24的另一端、设备接口P2的4脚后接地；
所述控制芯片U1的5脚与传感器芯片U3的23脚相连；
所述控制芯片U1的6脚与传感器芯片U3的24脚相连；
所述控制芯片U1的7脚与传感器芯片U3的12脚相连；
所述传感器芯片U3的1脚并接传感器芯片U3的11脚，电阻R4的一端后接地；
所述传感器芯片U3的9脚并接电阻R4的另一端后与电阻R9的一端相连；
所述传感器芯片U3的8脚并接传感器芯片U3的13脚、电容C3的一端后与电阻R12的一端相连，所述电阻R12的另一端与3.3V输入电源相连；
所述传感器芯片U3的18脚并接电容C3的另一端、电容C5的一端、电容C7的一端后接地；
所述传感器芯片U3的20脚与电容C5的另一端相连；
所述传感器芯片U3的10脚与电容C7的另一端相连；
使用可级联自编址的倾角传感器进行编址的方法，包括如下步骤：
步骤一：控制中央控制器（1）执行预设的自动编址程序以完成中央控制器（1）对在线设备监测、电源模块（4）对下级供电控制、角度监测模块（3）对下级设备编址工作；
步骤二：将上电的倾角传感器默认为初始设备，且当中央控制器（1）没有监测到其它设备时，自行给初始设备进行编址；
步骤三：若中央控制器（1）检测到总线上有设备，中央控制器（1）将对总线上有初始设备进行通知并等待编址，当初始设备编址成功后中央控制器（1）控制电源模块（4）给下级设备上电；
步骤四：已完成编址的设备监控总线有空闲设备且无下级设备，中央控制器（1）将编址初始设备为下级设备；
步骤五：当倾角传感器监测到掉线后，由中央控制器（1）发送信号控制电源模块（4）断开后级设备供电。
2.根据权利要求1所述的一种可级联自编址的倾角传感器，其特征在于：所述步骤二中对初始设备进行编址具体为：设备上电后通知中央控制器（1）总线有初始设备上线，超时无设备时将给初始设备编地址，初始设备给自己编有效最小地址为1。
3.根据权利要求2所述的一种可级联自编址的倾角传感器，其特征在于：所述步骤三中电源模块（4）给下级设备上电具体为：当初始设备编址完成后，由初始设备打开下级供电，下级设备供电后通知总线上有初始设备上线，首个编号为1的设备收到有新设备上线的信号，将给新设备按顺序进行编址，新设备编号为2；
2号设备编址完成后，将继续给下级设备供电，并按顺序给下级设备编号，由2号设备给3号设备编号，3号设备给4号设备编号，以此类推。
4.根据权利要求3所述的一种可级联自编址的倾角传感器，其特征在于：所述步骤四中编址下级设备具体为：已编号设备同时进行下级设备的在线监测，当下级设备不在线时，若有新增设备，将新增设备编号为下级设备。
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