數(shù)顯量具有線測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王玉珍，謝兩可

（1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2.北京市航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100074）

近年來，數(shù)顯量具以其操作簡(jiǎn)單、讀數(shù)方便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域。隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)象數(shù)量的逐漸增多，待測(cè)數(shù)據(jù)量也隨之大幅度增加，依靠傳統(tǒng)手工記錄分析大量測(cè)量數(shù)據(jù)不僅耗費(fèi)時(shí)間和精力，而且效率極低、人為干擾因素較大、無實(shí)時(shí)性。因此，市場(chǎng)對(duì)工業(yè)實(shí)時(shí)在線化測(cè)量提出強(qiáng)烈需求[1-2]。

目前，由于測(cè)量場(chǎng)景不同，檢測(cè)對(duì)象復(fù)雜多樣，同一對(duì)象會(huì)出現(xiàn)使用多個(gè)不同廠家不同類型的數(shù)顯量具進(jìn)行測(cè)量的現(xiàn)象，而數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)接口又沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量數(shù)據(jù)只能上傳至與各量具相對(duì)應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)，所以市場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的兼容性較差，數(shù)據(jù)很難進(jìn)行統(tǒng)一管理[3]。

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，有線通信技術(shù)發(fā)展越來越成熟，其具有抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、安全性高、可靠性高等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域通信設(shè)備中也得到很好的應(yīng)用。

基于上述原因及市場(chǎng)需求，本文進(jìn)行數(shù)顯量具有線測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可將數(shù)顯卡尺、數(shù)顯百分表等多個(gè)數(shù)顯量具的測(cè)量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸接口，以有線傳輸方式快速、實(shí)時(shí)地上傳至上位機(jī)，并被上位機(jī)接收軟件接收，能夠有效、可靠地完成數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、性能穩(wěn)定的在線化測(cè)量。

1 系統(tǒng)基本組成

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)主要由數(shù)顯量具專用數(shù)據(jù)傳輸接口和上位機(jī)接收軟件兩部分組成，其基本測(cè)量原理框圖如圖1所示[4]。該有線接口的數(shù)據(jù)采集線一端插入數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)接口，另一端經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線連接上位機(jī)，通過該專用接口主要完成對(duì)量具數(shù)據(jù)的采集及處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)接收軟件，上位機(jī)接收軟件則根據(jù)軟件配置對(duì)接收到的量具數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)基本測(cè)量原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為數(shù)顯量具專用數(shù)據(jù)傳輸接口的硬件電路設(shè)計(jì)。本文選擇STM32F103XX作為主控芯片，根據(jù)上述接口基本功能需求，該硬件電路主要包括：數(shù)據(jù)采集電路、通信電路、電源轉(zhuǎn)換電路、人機(jī)交互電路，其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖

2.1 主控芯片

本系統(tǒng)所選主流增強(qiáng)型系列芯片STM32F103XX，采用32位基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器，CPU速度最高達(dá)72MHz，內(nèi)置從16KB至1MB的Flash存儲(chǔ)器、6KB至96KB的RAM存儲(chǔ)器，多達(dá)112個(gè)通用I/O端口，包含通用定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、高級(jí)控制定時(shí)器等多種定時(shí)器，12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，CAN、SDIO、USART、USB2.0全速接口等多個(gè)通信接口[5]。其中，USART接口多達(dá)5個(gè)，可進(jìn)行串口通信，具有分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器，可輸出更精準(zhǔn)的波特率，通信速率高達(dá)4.5Mbit/s，同時(shí)支持異步通信、DMA操作，可進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信；而USB接口符合全速USB2.0（1.2Mbit/s）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范，具有待機(jī)/恢復(fù)功能，可通過軟件對(duì)8個(gè)USB端點(diǎn)進(jìn)行配置[6]。

該系列芯片工作電壓為2.0V至3.6V，支持待機(jī)、停機(jī)、睡眠3種低功耗模式，具有SWD單線調(diào)試模式，占用引腳少，節(jié)約空間，高速模式下更加可靠。

綜上，本文選擇低成本STM32F103XX系列芯片，充分利用其內(nèi)部集成的多種外設(shè)，簡(jiǎn)化了外圍電路，易于實(shí)現(xiàn)高性能、小體積、多功能硬件電路設(shè)計(jì)。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路主要用于采集數(shù)顯卡尺、數(shù)顯百分表等量具數(shù)據(jù)，其電路框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集電路框圖

數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)由量具時(shí)鐘信號(hào)（CLK）、數(shù)據(jù)信號(hào)（DATA）相互配合輸出，量具輸出的時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集接口輸入放大整形電路進(jìn)行放大、濾波、去噪處理，再使用主控芯片STM32F103XX的I/O口對(duì)上述處理后的信號(hào)進(jìn)行采集，并根據(jù)制定的數(shù)據(jù)幀協(xié)議，對(duì)采集到的不同數(shù)顯量具數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的格式轉(zhuǎn)換。

2.3 通信電路

本系統(tǒng)通信電路主要實(shí)現(xiàn)主控芯片與上位機(jī)之間的通信。通過設(shè)計(jì)RS232串口通信和USB轉(zhuǎn)串口通信兩種不同的通信方式，實(shí)現(xiàn)主控芯片數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)也可發(fā)送指令至主控芯片。兩者在進(jìn)行通信前，其端口需設(shè)定一致的通信參數(shù)。

2.3.1 RS232串口通信電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的RS232串口通信電路，使用主控芯片USART口與上位機(jī)RS232串口進(jìn)行通信。主控芯片USART口輸入輸出信號(hào)的電平采用正邏輯TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，而RS232串口信號(hào)線的電平采用負(fù)邏輯RS232電平標(biāo)準(zhǔn)，存在兩個(gè)相互通信的端口采用不同的電平標(biāo)準(zhǔn)，主控芯片不能直接辨別串口信號(hào)的問題，因此使用電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行TTL電平和RS232電平的互相轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信[7-8]。RS232串口通信電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 RS232串口通信電路結(jié)構(gòu)框圖

如圖4所示，主控芯片USART接口USART_TX管腳的TTL電平信號(hào)，通過電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS232電平信號(hào)，再經(jīng)DB9串口連接線傳送至上位機(jī)DB9接口的RXD管腳；上位機(jī)DB9接口TXD管腳的RS232電平信號(hào)，經(jīng)DB9串口連接線傳送至電平轉(zhuǎn)換芯片，并轉(zhuǎn)換為TTL電平信號(hào)，之后送入主控芯片USART接口的USART_RX管腳。

2.3.2 USB轉(zhuǎn)串口通信電路

USB接口具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括電源線VCC、GND，信號(hào)線D+、D-，與TTL電平標(biāo)準(zhǔn)不兼容[9-10]。該接口支持熱插拔功能，并且便于攜帶、傳輸速度快、擴(kuò)展性強(qiáng)、可連接多個(gè)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域的各小型通信設(shè)備。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的USB轉(zhuǎn)串口通信電路，使用USB轉(zhuǎn)串口芯片，實(shí)現(xiàn)USB通信協(xié)議和UART串口通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)主控芯片與上位機(jī)的通信，其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示[11]。

圖5 USB轉(zhuǎn)串口通信電路結(jié)構(gòu)框圖

如圖5所示，USB轉(zhuǎn)串口芯片可進(jìn)行USB電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換芯片的RXD、TXD管腳可直接連接主控芯片USART接口的USART_TX、USART_RX管腳，另一端通過USB接口連接線連接上位機(jī)USB接口（虛擬串口），此時(shí)上位機(jī)安裝的相應(yīng)USB轉(zhuǎn)串口芯片的驅(qū)動(dòng)，可自動(dòng)將USB接口虛擬為串口，通過選擇該COM口，即可與上位機(jī)進(jìn)行通信。

2.4 電源轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路采用上位機(jī)DB9接口或USB接口供電。由于主控芯片及外圍器件工作電壓為3.3V，因此該電源轉(zhuǎn)換電路需選擇合適的電源轉(zhuǎn)換芯片對(duì)接口電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提供各硬件電路正常工作電壓，其電路框圖如圖6所示。

圖6 電源轉(zhuǎn)換電路框圖

2.5 人機(jī)交互電路

本系統(tǒng)人機(jī)交互電路主要包括按鍵、LED燈，其電路框圖如圖7所示。按鍵每按一下，測(cè)量數(shù)據(jù)即上傳至上位機(jī)接收軟件；LED燈用來指示數(shù)據(jù)傳輸接口與數(shù)顯量具、上位機(jī)的連接狀態(tài)，以及測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。

圖7 人機(jī)交互電路

3 上位機(jī)接收軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的上位機(jī)接收軟件操作簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，可接收多個(gè)通道不同類型量具的測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)量具測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸及顯示，并將測(cè)量結(jié)果保存至指定路徑的Excel表格中，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理，有利于對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行追溯，其流程圖如圖8所示。

如圖8所示，打開上位機(jī)接收軟件，選擇設(shè)備相應(yīng)的COM口，并添加數(shù)據(jù)輸入位置等配置信息，之后啟動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量，軟件開始接收量具數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)測(cè)量停止后，保存數(shù)據(jù)并關(guān)閉軟件。

圖8 上位機(jī)接收軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)顯量具有線測(cè)量系統(tǒng)，可配合多種不同類型的數(shù)顯量具使用。該系統(tǒng)通過有線數(shù)據(jù)傳輸接口連接數(shù)顯量具和上位機(jī)，并采用上位機(jī)接收軟件，對(duì)多路量具的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、分析及保存。本系統(tǒng)具有兩種不同的通信接口供用戶選擇，其操作靈活方便、傳輸可靠、兼容性高，很好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化測(cè)量，在大型工廠測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用，一定程度上擴(kuò)大了數(shù)顯量具的使用范圍。