基于Modbus_TCP的电容式扭矩传感器数据采集系统设计.pdf

仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2024 年第 1 期基金项目:广西制造系统与先进制造技术重点实验室基金项目(20-065-40S001)收稿日期:2023-04-20基于 Modbus/TCP 的电容式扭矩传感器数据采集系统设计蒲明辉1,2,赵仁东1,黄学创1,艾振军11.广西大学机械工程学院;2.广西制造系统与先进制造技术重点实验室 摘要:扭矩传感器通常安装于机械设备的旋转关节处,用于扭矩的测量。电容式扭矩传感器需要配备专门的数据采集系统才能使用,且数据采集系统的性能直接影响传感器的精确测量。针对实验室自主研制的电容式扭矩传感器的应用需求,设计了一种基于 Modbus/TCP 协议的数据采集系统。系统以 STM32 为主控芯片,通过控制电容数字转换芯片 AD7147 实现电容信号采集与转换,然后由 W5500以太网芯片将数据上传到自主开发的上位机软件中进行处理、显示与存储。实验测试表明:系统最大测量误差为 1.47%,数据输出频率为 1 000 Hz。关键词:数据采集系统;电容式扭矩传感器;Modbus/TCP;STM32中图分类号:TP274 文献标识码:ADesign of Data Acquisition System ofCapacitive Torque Sensor Based on Modbus/TCPPU Minghui1,2,ZHAO Rendong1,HUANG Xuechuang1,AI Zhenjun11.School of Mechanical Engineering,Guangxi University;2.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System&Advanced Manufacturing TechnologyAbstract:Torque sensors are usually mounted on rotating joints of mechanical equipment to measure the torque.Capacitive torque sensor requires a special data collection system to be used,and the performance of the data collection system directly af-fects whether the sensor can achieve accurate measurement.A data acquisition system based on Modbus/TCP protocol was de-signed to meet the application requirements of capacitive torque sensor developed independently by the laboratory.The system took STM32 as the main control chip and controlled the capacitance digital conversion chip AD7147 to collect and convert capaci-tance signals.Then the data was uploaded by W5500 Ethernet chip to the self-developed upper computer software for processing,display and storage.The test results show that the maximum measurement error of the system is 1.47%,and the data output fre-quency is 1 000 Hz.Keywords:data acquisition system;capacitive torque sensor;Modbus/TCP;STM320 引言随着工业自动化的不断发展,扭矩传感器已经广泛应用于协作机器人1-2、空间机械臂3和精密加工机床4等领域,通常安装于具有旋转副的关节处,用于感知关节承受的扭矩大小。而电容式扭矩传感器具有灵敏度高、动态性能好、体积小等优点5,被认为是极具应用前景的一类传感器。电容式扭矩传感器要实现扭矩的测量,需要相应的数据采集系统对电容信号进行采集和处理,并将数据传输到上位机,最终转换为扭矩信息。目前基于串口通讯的数据采集系统数据传输方案应用最为广泛。如刘瑾等6基于 RS232 通信实现了电容式位移传感器的数据采集,但 RS232 串口通讯存在传输速率慢、易受干扰的问题。于是,有研究者采用差分的串口通讯方式,如王小鑫7设计的基于 RS485 的电容式加速度传感器的测量系统,董超慧8设计的基于 CAN 总线的电容式压差传感器的数据采集系统,增强了数据传输的抗干扰能力,同时传输速率也得到提高。虽然CAN 和 RS485 最大传输速率已经达到 Mbit/s,但当通讯距离超过 10 m 后,通讯速率就会大大降低。而采样芯片和主控芯片之间的 SPI 通讯最大速率高达80 Mbit/s,以上的通讯方式未能充分发挥芯片的性能。64 第 1 期蒲明辉等:基于 Modbus/TCP 的电容式扭矩传感器数据采集系统设计 以太网通讯技术能实现远程数据传输,被广泛应用于多个领域,其采用差分方式传输数据,具有很好的抗干扰能力,在局域网内传输速率可达 100 Mbit/s。Modbus/TCP 通信数据链路层的校验机制可以保证数据的完整性9-10,是一种可靠的通讯模式。本文针对电容式扭矩传感器设计了一套基于 Modbus/TCP 协议的数据采集系统。系统硬件基于 AD7147+STM32 实现电容信号采集,通过 W5500 芯片实现以太网通信。另外,为了实现数据的采集、显示与存储,开发了一款对应的以太网通讯上位机软件。1 系统需求与总体设计数据采集对象为电容式扭矩传感器,其基于变极距型电容器工作原理设计,极距的微小变化会导致电容器容值发生改变,而采集系统根据容值变化量可以映射出相应的扭矩值。传感器结构如图 1 所示,包括传感器本体的外圈、弹性梁、内圈以及安装在本体外圈上的 PCB 板。其中外圈用于固定传感器,电容动极板与内圈连接,电容静极板位于 PCB 板上。当扭矩施加于传感器内圈,动极板会随着内圈发生微小转动,电容器动、静极板的间距就会发生改变。图 1 传感器结构传感器共需要 8 个电容静极板两两构成差动,分成 4 组来实现扭矩的测量,这就要求系统至少支持 8个电容通道的输入。同时,考虑到系统的可扩展性,使系统能够扩展到电容式多维力传感器的测量。因此,选用电容数字转换芯片 AD7147,使系统具有13 输入通道、16 位采样精度。主控芯片选择低功耗、性能稳定的 STM32F103C8T6。为了更方便地与主控芯片整合,选用支持高效 SPI 接口的 W5500 来实现以太网传输。系统采用模块化设计,由电容数字转换模块、以太网通信模块、电源模块以及上位机组成。数据采集系统的整体框图如图2 所示。传感器电容模拟信号经过 AD7147 读入并转换为电容数字信号输出,再通过 SPI 通信接口将数字信号发送到主控芯片。主控芯片首先要完成对 AD 芯片数字信号的读写控制,然后将采集的数据按特定的帧格式打包,再通过 W5500 的 TCP/IP 硬件协议栈方式将数据帧发送至上位机软件中。图 2 系统总体框图2 系统硬件设计2.1 以太网通信模块要实现以太网通信,采集系统就需要 1 颗网卡芯片。W5500 是 1 款集成 TCP/IP 硬件协议栈的以太网芯片,内置高达 10/100M 的以太网数据链路 MAC 层、物理层 PHY 以及 32 KB 的收发缓存。以太网通信模块的电路原理如图 3 所示。W5500采用 25 MHz 外部晶振 Y1 输 入,通 过 PMODE0、PMODE1、PMODE2 3 个引脚的不同电平逻辑组合设置物理层 PHY 的网络工作模式。W5500 与主控芯片之间的连接工作模式为可变数据长度(VDM)模式。传输数据帧的长度由 STM32 的 SCSN 信号控制,在SCLK 的上升沿锁存,在下降沿输出数据。考虑到通信接口的电磁兼容性能,抑制通信接口电缆带来的共模干扰,采用带有网络变压器的隔离型RJ45 以太网通信接头,同时可以起到保护电路的作用11。为了避免信号传输线的反射,在不影响通信质量的情况下,采用并联端接12的方式在信号发送端并联了阻值为 51 的电阻 R20、R21。2.2 电容数字转换模块为实现多通道、高精度的数据采集,系统采用AD7147 作为电容信号采集芯片。该芯片集成了片上自动环境补偿功能,电容信号通过一个开关矩阵传输到 16 位分辨率、250 kHz 采样频率的模数转换器内。在转换器中有12 个转换通道,每个转换通道可以配置多个信号输入,转换结果存储在片上寄存器。通过对片上寄存器进行编辑来实现任何一组输入以及每个外部电容信号的平均、偏移和增益等特性。芯片输入通道范围为8 pF,支持电压范围为 2.63.6 V。13 个输入通道电容极板的不同位置摆放与组合,可以实现对空间上单维和多维力的测量。本文使用 8个通道的静极板两两构成差动组合,共 4 组均匀分布于扭矩传感器动极板两侧,实现扭矩的测量。其 AD模数转换模块的电路原理如图 4 所示,AD7147 提供了 SPI 外设通信接口,通过 CS、SCLK、SDO、SDI 引脚与 STM32 连接实现板间的高速通信,供电电压 3.3 V。74 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期图 3 W5500 通信模块电路图图 4 AD7147 外围电路原理图2.3 电源模块电源模块是整个采集系统的供能部分,电源质量与整个系统的稳定性密切相关。电源模块采用二级压降设计,支持 912 V 外部电压供电。一级压降采用直流开关电源输出。开关电源通过调整功率半导体器件的饱和区时间或频率实现电压控制,其损耗很少,转换效率高,发热量小13。但是,开关电源的纹波系数较大,不利于电源系统的稳定。而线性稳压电源虽然效率较低,但是电磁干扰小,纹波系数低,输出稳定且瞬态响应好14。所以二级压降采用线性稳压电源弥补一级压降波纹系数大的不足,为系统提供稳定的工作电源。电源模块的电路原理图如图 5 所示,一级压降通过 TPMP2359 芯片将外部 12 V 电源降到 5 V,二级压降通过 AMS1117 芯片将 5 V 降到 3.3 V。此外,通过肖特基二极管 D1、D2以及每级压降的输入输出引脚设计旁路接地电容滤波来进一步提高电源的稳定性,降低电源噪声。图 5 电源模块原理图3 系统软件设计3.1 下位机程序下位机要保证系统上电后能正确初始化相关芯片,等待上位机指令进行工作。下位机的程序设计主要包括 AD7147 的工作模式配置、主控芯片的 I/O 口初始化以及以太网通信协议设置。下位机的工作流程如图 6 所示。系统上电后,首先对 STM32 进行 I/O 口、时钟和中断事件的初始化,然后再通过 SPI1 和 SPI2 接口分别去设置 AD7147 和 W5500 的工作模式。W5500 的初始化包括时钟、MAC 地址、子网掩码、默认网关、IP84 第 1 期蒲明辉等:基于 Modbus/TCP 的电容式扭矩传感器数据采集系统设计 图 6 下位机工作流程图地址、端口号、收发溢出时间以及 socket 的初始化。初始化完成,进入定时器中断函数,等待上位机的功能码指令。STM32 接收到读数据指令后,将数据按特定帧格式打包并通过 W5500 传输到上位机。芯片的转换输出效率由功率模式和采样率决定。采样率是指输出单个电极的电容数字量需要采集的样本数,采样率越高,输出结果的精度也越高,但是消耗的时间就越长。为了使芯片转换速率达到最快,同时确保具有一定的精度,系统采样率设为 64,功率模式为全功率模式,理论上 8 个电极的转换周期 6 ms。采集系统将上位机作为服务端,将下位机作为客户端,上位机通过客户端设定的 IP 地址和端口号进行连接。3.2 上位机软件设计上位机除了控制下位机读写外,还要完成数据的处理和图形显示。上位机软件基于 Winform.NET 4.7框架开发,其功能主要包括 AD 芯片寄存器读写、电容数字信号的显示与存储、传感器扭矩测量的显示与存储以及供数据输出的软件接口。图7 为上位机的扭矩测量界面,左边为按钮操作和信息输入区,右边为扭矩图形化显示区。图 7 上位机测量界面系统每帧数据传输都需要上位机向下位机发送Modbus 功能码指令,下位机根据收到的指令进行读写操作。如表 1 所示,所用的 Modbus/TCP 协议的数据帧由 MBAP 报文头和数据单元 PDU 2 部分组成。其中报文头的事务标识 2 字节,协议标识 2 字节,PDU数据段长度 2 字节,设备编号 1 字节。PDU 由 Modbus功能码、起始地址和数据 3 部分组成,文中主要用到03 读寄存器功能码和 06 写单个寄存器功能码。表 1 Modbus/TCP 帧格式Byte MBAP 报文头 PDU 事务协议长度编号功能地址数据222112n 上位机软件读取数据的流程如图 8 所示,首先配置 IP 地址和端口号、初始化定时器,然后发送连接请求,等待与下位机连接成功后,通过定时器触发事件函数连续发送读指令,同时等待接收数据。每次对数据进行处理、存储与显示后,等待定时器溢出进入下一次循环。图 8 上位机读取数据流程图扭矩传感器多应用于机械手关节处,其控制系统需要及时获取关节处扭矩信息来做出调整。本系统上位机软件开发了 socket 和共享内存 2 种供数据输出的软件接口方式,可以实时输出扭矩信息,实现与其他系统的数据交互。4 系统测试4.1 实验方法与设备AD7147 开发系统是专门为 AD7147 芯片设计的电容数据采集系统,包括 1 块开发板和相应上位机软件,能够准确测出电容极板的数字变化量。为了验证所研制的数据采集系统的性能,使用 AD7147 开发系统和文中设计的以太网采集系统分别对传感器进行电容数据采集测试。实验要确保2 次测试的加载条件一致,通过对比相同加载条件下 2 个采集系统输出的电容数字变化量来验证本文系统的可靠性和精度。另外,给传感器重新标定后,用文中设计的以太网采集系统进行扭矩加载测量,得到系统的测量误差。搭建的实验平台如图 9 所示,实验设备包括 1 套实验加载平台、1 款实验室自主研制量程为 20 Nm的电容式扭矩传感器15、AD7147 芯片开发板和上位94 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期机、本文所设计的以太网采集板和上位机以及若干经过校正的砝码。其中,图 9(a)在进行 AD7147 开发系统测试实验,图 9(b)在进行以太网采集系统测试实验,图 9(c)是型号为 EVAL-AD7147EBZ 的开发电路板,图 9(d)是文中设计的以太网采集电路板。(a)AD7147 开发系统实验(b)以太网采集系统实验(c)AD7147 开发板(d)以太网采集板图 9 实验平台设备将扭 矩 传 感 器 安 装 于 实 验 平 台 上,先 使 用AD7147 开发系统进行测试,通过加载高精度砝码对传感器施加扭矩,扭矩施加范围为 020 Nm,从空载状态加载到 20 Nm,再卸载到 0 Nm,每次加载和卸载的步长为 2 Nm。再使用所设计的以太网采集系统进行测试,扭矩施加范围为 020 Nm,从空载状态加载到 20 Nm,再卸载到 0 Nm,每次加载和卸载的步长为 2 Nm。4.2 实验结果存储每次加载和卸载后的电容数字量输出值,对数据进行处理后,得到测试结果如图10 所示。在相同加载条件下,2 个采集系统的输出拟合曲线高度重合,误差在 1.19%以内,该误差为 2 个采集系统输出电容数字变化量的最大误差绝对值与对应 AD7147 开发板输出电容数字变化量的百分比。测试结果可以说明所设计的采集系统能够准确测出对应电容的数字变化量。采用三次多项式对实验数据进行拟合,得到电容数字变化量与扭矩值的映射关系。使用所设计的以太网采集系统进行扭矩加载测量实验,其测量结果如表 2 所示,最大测量误差为 1.47%,该误差为实际加载值与测量值的最大误差绝对值和实际加载值的百图 10 采集系统的电容数字变化量曲线分比。在实验加载过程中,除了数据采集系统的误差外,标定平台的安装误差、砝码加载方向的偏差以及传感器解耦曲线拟合误差等都会影响最终的误差测试结果。表 2 误差测量实验结果加载值/(Nm)测量值/(Nm)误差/%加载值/(Nm)测量值/(Nm)误差/%22.005 20.261212.066 80.5644.058 61.471414.058 10.4266.068 51.141616.068 50.4388.075 40.941818.073 40.411010.065 70.662020.064 70.32 通过上位机软件测试来验证采集系统的数据刷新频率,系统上位机从发送03 读指令到获取一次完整数据的时间周期约为 1 ms,输出频率为 1 000 Hz。5 结束语本文基于 Modbus/TCP 协议设计了一套应用于电容式扭矩传感器的数据采集系统。系统以 STM32 为主控芯片,W5500 为以太网控制芯片,AD7147 为电容信号采集芯片,系统具有 13 个电容输入通道和 16 位的采样精度。实验测试结果表明:系统最大测量误差为 1.47%,数据输出频率为 1 000 Hz。上位机软件可直接读写寄存器参数,更加方便控制芯片的工作模式。系统除了应用于扭矩测量,也可以扩展到电容式多维力传感器的测量。参考文献:1 KIM J I,JEON H S,JEONG Y J,et al.High stiffness capaci-tive type torque sensor with flexure structure for cooperative industrial robotsC.International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence(URAI),2017:433-437.2 KIM U,LEE D H,KIM Y B,et al.A novel six-axis force/torque sensor for robotic applications J.IEEE/ASME 05 第 1 期蒲明辉等:基于 Modbus/TCP 的电容式扭矩传感器数据采集系统设计 Transactions on 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通信作者:顾宏灿(1980),副教授,硕士生导师,主要研究方向为光纤光栅传感技术。E-mail:CST_18771066104 15