外接式數(shù)顯量具顯示儀的設(shè)計(jì)

李冉琦，張?zhí)齑?，羅永祥

（桂林廣陸數(shù)字測控有限公司，廣西 桂林 541213）

0 引言

隨著全球制造業(yè)快速發(fā)展，在生產(chǎn)加工自動(dòng)化領(lǐng)域，國內(nèi)外市場上現(xiàn)有能接數(shù)顯量具量儀的數(shù)據(jù)適配裝置功能單一，缺乏靈活的數(shù)據(jù)運(yùn)算、公差設(shè)置和聲光報(bào)警等功能。而計(jì)量行業(yè)少數(shù)企業(yè)已有的數(shù)據(jù)采集方案僅實(shí)現(xiàn)了將數(shù)顯量具的測量數(shù)據(jù)上傳到客戶端，缺少可以實(shí)現(xiàn)與容柵數(shù)顯量具連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和顯示、數(shù)據(jù)無線傳輸、公英制轉(zhuǎn)換、任意位置置零、數(shù)據(jù)相關(guān)運(yùn)算、設(shè)置公差上下限和超差聲光報(bào)警等功能，不能滿足工業(yè)測量的高要求、高標(biāo)準(zhǔn)、智能制造等發(fā)展要求。因此有必要設(shè)計(jì)一種完善數(shù)據(jù)便于觀察，數(shù)據(jù)傳輸需要穩(wěn)定，能進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算、超差報(bào)警響應(yīng)的新型測量儀。

設(shè)計(jì)了一款既可用于普通增量式容柵類量具，又可以應(yīng)用于絕對原點(diǎn)型容柵量具（量具種類包含卡尺、百分表、千分表、千分尺、高度尺、標(biāo)尺等）的外接式數(shù)顯量具顯示儀。該顯示儀有數(shù)據(jù)保持、自動(dòng)查找最大值、最小值、自動(dòng)計(jì)算極值差的功能?？梢匀斯ぴO(shè)置公差上下限，超差聲光報(bào)警[1]；能自動(dòng)采樣數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙或者串口對外輸出。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的外接式數(shù)顯量具顯示儀主要由主控單元、LCD 顯示單元、按鍵單元、超差聲光報(bào)警單元、通訊單元、電源單元組成。電源單元為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的工作電源，主控單元是其他所有單元的核心，控制其他單元有序運(yùn)行。硬件控制邏輯關(guān)系：低壓差線性穩(wěn)壓器LDO 將疊層電池提供的9 V 電源電壓轉(zhuǎn)換成3 V 電壓，為系統(tǒng)的MSP430F435 微控制器、LED 指示和聲光報(bào)警電路供電；微控制器根據(jù)程序控制各個(gè)模塊，處理獲取的信號，數(shù)據(jù)運(yùn)算傳輸并顯示在LCD 液晶屏上，實(shí)現(xiàn)儀器的數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警提醒。通過藍(lán)牙模塊或者串口作為與用戶設(shè)備通信的端口，可將采樣的數(shù)據(jù)對外輸出。系統(tǒng)用LED 紅色指示燈與蜂鳴器實(shí)現(xiàn)儀器超差聲光報(bào)警功能；功能按鍵可切換操作界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、設(shè)置、通信等。系統(tǒng)控制框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控單元

使用MSP430F435 為主控制器，連接數(shù)據(jù)指示燈和LCD 液晶顯示模塊。MSP430F435 是一種高性能、超低功耗的16 位微控制器，具有在線系統(tǒng)編程功能，方便工程應(yīng)用調(diào)試?？蓪斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)處理計(jì)算，包括公英制切換、尋找極值、尋找極值差、設(shè)置公差和控制數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)指示燈用于數(shù)據(jù)有線或者無線傳輸時(shí)的狀態(tài)顯示。LCD 液晶顯示模塊用于顯示測量數(shù)據(jù)和功能切換指示。主控單元原理圖如圖2 所示。

圖2 主控單元原理圖

2.2 電源模塊

供電單元包括電源和線性穩(wěn)壓器（LDO）電源管理模塊，二者串聯(lián)后與主控單元連接[2]。LDO 電源管理模塊采用的是50 mA 低壓差線性穩(wěn)壓器TPS71501，具有超低功耗和良好的輸出功率，將電源電壓輸出轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的3 V 電壓，為各單元供能，用于驅(qū)動(dòng)微控制器以及各功能模塊。電源模塊原理圖如圖3 所示。

圖3 電源模塊原理圖

2.3 聲光報(bào)警模塊

超差聲光告警單元包括LED 報(bào)警燈模塊與蜂鳴器模塊。LED 報(bào)警燈模塊與蜂鳴器模塊分別與主控單元連接，由主控單元控制產(chǎn)生響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)儀器超差聲光報(bào)警功能。聲光告警模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 聲光報(bào)警模塊原理圖

2.4 藍(lán)牙通訊模塊

藍(lán)牙模塊采用SBM14580M 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，此模塊是超低功耗、超小尺寸的BLE 4.0 模塊，其透傳模式具有傳輸功耗更低、傳輸距離更遠(yuǎn)、傳輸穩(wěn)定性更好的特點(diǎn)。低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)可用深度睡眠狀態(tài)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)藍(lán)牙的空閑狀態(tài)[3]。其睡眠模式功耗小于2.7 uA，帶有透傳程序，簡單易用。串口輸出接口為耳機(jī)插座的形式，常規(guī)線長1.5 m，加放大器可達(dá)400 m。藍(lán)牙模塊原理圖如圖5 所示。

圖5 藍(lán)牙模塊原理圖

2.5 按鍵模塊

按鍵模塊實(shí)現(xiàn)對外接式數(shù)顯量具顯示儀的操作控制。設(shè)置有以下按鍵。

（ON/OFF/BL）鍵：短按該按鍵可以對顯示儀開機(jī)和關(guān)機(jī)；長按則打開和關(guān)閉背光。

（in/mm/M）鍵：短按該按鍵可以切換公英制顯示；長按為M 功能鍵，按一下時(shí)屏幕左上角會(huì)出現(xiàn)“HOLD”，此時(shí)顯示的數(shù)據(jù)保持不變，再按一下保持功能取消；按住“M”鍵不動(dòng)，屏幕左邊會(huì)出現(xiàn)“MAX”，此時(shí)顯示儀為尋找最大值的功能；再按住“M”鍵不動(dòng)，屏幕左邊會(huì)出現(xiàn)“MIN”，此時(shí)顯示器為尋找最小值的功能；再按住“M”鍵不動(dòng)，屏幕會(huì)出現(xiàn)“△”，此時(shí)顯示器為尋找極值差功能；再按住“M”鍵不動(dòng)，顯示器恢復(fù)正常顯示。在尋找最大值、最小值和極值差的功能下，短按該鍵則重新查找。

（ZERO/TOL）鍵：短按該按鍵可以對量具清零；長按則進(jìn)入TOL 設(shè)置狀態(tài)，此時(shí)屏幕右邊顯示“TOL SET”字符，左邊如果顯示“MAX”則是設(shè)置上公差，如果顯示“MIN”則是設(shè)置下公差，設(shè)置狀態(tài)下短按該建則數(shù)字加1，長按則向后移動(dòng)一位。如果需要連續(xù)向后移動(dòng)多位，則按住該鍵不放就會(huì)連續(xù)向后移動(dòng)。設(shè)置完成后自動(dòng)進(jìn)入公差判別模式，此時(shí)右側(cè)顯示TOL 字符，左側(cè)如果顯示GO 則表示公差合格，如果顯示NO GO 則表示測量結(jié)果超差，此時(shí)有語聲各閃光同時(shí)報(bào)警。

（SENT）鍵：短按該按鍵可以把屏幕上的顯示值通過無線藍(lán)牙或者串口對外輸出。

將連接線插頭插入量具的插孔，點(diǎn)按（OFF/ON）鍵，顯示儀進(jìn)入工作狀態(tài)，之后即可按照以上按鍵功能完成對應(yīng)操作控制。

按鍵模塊原理圖如圖6 所示。

圖6 按鍵模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)初始化和額外的應(yīng)用功能，包括公英制切換、尋找極值、尋找極值差、設(shè)置公差和控制數(shù)據(jù)發(fā)送和超差聲光報(bào)警功能。

程序系統(tǒng)控制邏輯：首先完成上電自檢，對微控制器MSP430F435 及各I/O 口進(jìn)行初始化和端口配置。然后等待各模塊運(yùn)行并生成穩(wěn)定數(shù)據(jù)，通過按鍵模塊控制系統(tǒng)執(zhí)行不同的程序，實(shí)現(xiàn)不同的功能，同時(shí)微控制器控制液晶屏接收并顯示數(shù)據(jù)。最后傳輸數(shù)據(jù)到用戶設(shè)備的程序流程，微控制器發(fā)送命令對串口初始化，用戶終端設(shè)備通過串口或者無線藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

圖7 程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的外接式數(shù)顯量具顯示儀如圖8 所示。經(jīng)測試，量具兼容性正常，按鍵功能、液晶顯示、超差報(bào)警功能、數(shù)據(jù)傳輸功能正常。高溫下運(yùn)行、低溫下運(yùn)行、濕度變化、振動(dòng)型式試驗(yàn)等系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比較分析，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)并申報(bào)國家實(shí)用新型專利，獲得國家專利并進(jìn)入批量投產(chǎn)。

圖8 外接式數(shù)顯量具顯示儀實(shí)物

5 結(jié)束語

基于市場的實(shí)際需求，從量具兼容性、公差帶設(shè)置、超差報(bào)警、自動(dòng)尋找極限值、無線傳輸數(shù)據(jù)和背光顯示等方面著手，通過電路設(shè)計(jì)和軟件控制設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)一種能夠滿足綜合性需求并適用工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際需求的外接式顯示儀。該產(chǎn)品可以適用于普通增量式容柵類量具，也可以適用于絕對原點(diǎn)型新型容柵量具（量具種類包含卡尺、百分表、千分表、千分尺、高度尺、標(biāo)尺等）。經(jīng)大量用戶反饋，該顯示儀性能穩(wěn)定，功能多樣，結(jié)構(gòu)小巧，使用靈活方便，提高了工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)效率。