一種基于多路串口通信的電阻快速測量系統(tǒng)設(shè)計

文/周政尹

（無錫市第五人民醫(yī)院 江蘇省無錫市 214001）

1 引言

TRMD 是一款成熟的電阻測量模塊，上位機可通過RS232 接口實時讀取電阻測量值。在一種實際工業(yè)應(yīng)用中，需要快速測量12 路被測體，要求在探針接觸被測體的200 毫秒時間內(nèi)至少讀取4次電阻值。串口通信在速率和并行處理方面都有一定局限性，本文對多路串口的并行處理進行了研究，并設(shè)計開發(fā)了相應(yīng)的上位機軟件進行試驗，達到了預(yù)期的測量效果。

2 測量原理

本系統(tǒng)硬件部分采用12 個TRMD 電阻測量模塊，上位機采WINFORM 程序讀取測量值。在電阻測量過程中，被測體在流水線上定時滾動，測量探針通過機械裝置同頻率按壓被測體，測量模塊即在按壓過程中檢測到相應(yīng)的電阻值。由于電阻值會受探針和被測體接觸面的影響，因此在按壓過程中監(jiān)測到的電阻值是波動的。顯然，在探針剛接觸被測體的時候接觸面比較小，測到的電阻值會偏大，同理，在探針離開被測體的時候存在同樣的問題，理論上在探針穩(wěn)定按壓在被測體上的時候，測量值是最準確的。因此在一次按壓過程中，要求電阻測量模塊快速讀取到多次電阻值，經(jīng)測算，從探針按壓被測體的200 毫秒時間內(nèi)，假如能讀取4 次以上的值，我們認為可以測量到相對準確的值，我們?nèi)∑渲凶钚〉闹底鳛樽罴褱y量值。

一次測量過程如圖1 所示。

3 物理設(shè)計

基于上述測原理。我們利用12 個TRMD 模塊來分別測量12路被測體，多路串口并發(fā)處理一般考慮用RS232 轉(zhuǎn)485 接口后接到上位機，然后通過WINFORM 程序讀取。由于485 接口是串行處理的，在讀取12 路電阻值的時候，程序必須通過排隊的方式依次讀取。TRMD 模塊的理論讀取速度是40 次/秒，亦即每次耗時25ms，12 路的讀取時間為300ms，加上數(shù)據(jù)處理時間，則一次耗時在300ms 以上，顯然滿足不了實際應(yīng)用的速度。為此，考慮采用多路串口獨立連接上位機進行并行處理的模式。

如圖2 所示，每個TRMD 模塊通過RS232 轉(zhuǎn)USB 轉(zhuǎn)接線獨立連接上位機的USB 集線器，這樣上位機（多核處理器）可以并行讀取每一路的電阻值。

4 通信設(shè)計

圖1：一次測量過程

圖2：物理架構(gòu)圖

圖3：快速讀取過程

如上所述，在一次測量中探針從接觸被測體到離開被測體，由于接觸面積的變化，測量到的電阻值會變化，在這個過程中我們要求盡可能快速讀取多次電阻值，并取其中的最小值，這樣的測量結(jié)果就更精確。因此通信過程的設(shè)計目標是在200ms 左右的探針接觸被測體時間內(nèi)既能保證通信質(zhì)量，有要提高讀取速度。這里我們采用“即到即發(fā)”的原則，即一旦接收到上一次數(shù)據(jù)則立即發(fā)送指令讀取下一個數(shù)據(jù)。

如圖3 所示，首次發(fā)送讀取指令后，DataReceive 事件監(jiān)測數(shù)據(jù)接收情況，一旦接收到數(shù)據(jù)則立即發(fā)送讀取指令。為防止通信中斷或異常，在數(shù)據(jù)接收超時的情況下通過計時器進行補發(fā)指令。經(jīng)實驗測試，每一路每秒可接收25 個左右數(shù)據(jù)包，且數(shù)據(jù)包未出現(xiàn)質(zhì)量異常（長度符合協(xié)議規(guī)定長度，CRC 校驗正常）。

5 軟件實現(xiàn)

基于上述物理設(shè)計和通信設(shè)計，我們設(shè)計了相應(yīng)的軟件模塊。針對多路獨立的測量通道，我們用獨立的軟件讀取模塊負責收發(fā)數(shù)據(jù)，然后傳遞給主程序進行數(shù)據(jù)處理。

如圖4 所示，各個子程序獨立連接相應(yīng)的TRMD 數(shù)據(jù)通道，快速讀取被測體電阻值后發(fā)送給主程序。主程序負責異步接收來自各個子程序的測量數(shù)據(jù)，主程序的核心任務(wù)就是解析并處理這些數(shù)據(jù)，主要分兩個環(huán)節(jié)：計算最小值和判斷測量間隔。在程序中，我們定義兩個數(shù)組CURRENT[12]和LOWEST[12]，分別用于保存當前電阻值和最小電阻值。定義電阻無效值為IVAL，保存標志位SAVED，以下偽代碼描述了這兩個環(huán)節(jié)的處理過程：

接收到來自第N 路數(shù)據(jù);

在實際開發(fā)過程中，我們將基于Windows 句柄的消息傳遞作為主程序和子程序之間的橋梁，兩者通過消息傳遞測量數(shù)據(jù)，主程序通過消息控制子程序的通信情況。

6 實驗結(jié)果

按照上述設(shè)計開發(fā)了相應(yīng)的WINFORM 程序，并且對12 路的測量數(shù)據(jù)進行了1 小時的數(shù)據(jù)監(jiān)測，分別接收到如圖5 所示的數(shù)據(jù)包數(shù)量，平均值超過88200 個，即每秒讀取電阻值>24.5 次，在探針接觸被測體的200 毫秒內(nèi)理論測量次數(shù)為4.9 次，顯然滿足測量速度要求。

進而我們對20 組被測樣品進行試驗，分別測得測量值，后用標準萬用表經(jīng)手工測得相應(yīng)的標準值，經(jīng)對比，兩者之間誤差在10 毫歐以內(nèi)，誤差率<5%，符合測量要求。如圖6 所示。

7 結(jié)論

圖4：軟件程序架構(gòu)

圖5：一小時內(nèi)各路接收到的數(shù)據(jù)包

圖6：測量誤差對比

串口作為一種常用的串行通訊接口，由于其標準發(fā)布時間早、使用簡單，使其在工控和測量設(shè)備以及部分通信設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。但是串口的低速率和串行處理的特性給一些應(yīng)用帶來了局限性，研究表明，只要合理制定通信機制和軟件處理流程，借助現(xiàn)今多核CPU 上位機的并行處理性能，仍可發(fā)揮串行通信設(shè)備的優(yōu)勢。