數顯量具有線測量系統的設計

王玉珍，謝兩可

（1.北京航天試驗技術研究所，北京 100074；2.北京市航天動力試驗技術與裝備工程技術研究中心，北京 100074）

近年來，數顯量具以其操作簡單、讀數方便等特點被廣泛應用于工業檢測領域。隨著工業現場檢測對象數量的逐漸增多，待測數據量也隨之大幅度增加，依靠傳統手工記錄分析大量測量數據不僅耗費時間和精力，而且效率極低、人為干擾因素較大、無實時性。因此，市場對工業實時在線化測量提出強烈需求[1-2]。

目前，由于測量場景不同，檢測對象復雜多樣，同一對象會出現使用多個不同廠家不同類型的數顯量具進行測量的現象，而數顯量具的數據接口又沒有統一的標準，測量數據只能上傳至與各量具相對應的測量系統，所以市場測量系統的兼容性較差，數據很難進行統一管理[3]。

隨著通信技術的快速發展，有線通信技術發展越來越成熟，其具有抗干擾性強、穩定性好、安全性高、可靠性高等特點，在工業領域通信設備中也得到很好的應用。

基于上述原因及市場需求，本文進行數顯量具有線測量系統的設計。該系統可將數顯卡尺、數顯百分表等多個數顯量具的測量數據通過數據傳輸接口，以有線傳輸方式快速、實時地上傳至上位機，并被上位機接收軟件接收，能夠有效、可靠地完成數據的傳輸，實現低成本、高效率、性能穩定的在線化測量。

1 系統基本組成

本文設計的數據測量系統主要由數顯量具專用數據傳輸接口和上位機接收軟件兩部分組成，其基本測量原理框圖如圖1所示[4]。該有線接口的數據采集線一端插入數顯量具的數據接口，另一端經數據傳輸線連接上位機，通過該專用接口主要完成對量具數據的采集及處理，并將處理后的數據傳輸至上位機接收軟件，上位機接收軟件則根據軟件配置對接收到的量具數據進行顯示、存儲等。

圖1 測量系統基本測量原理框圖

2 系統硬件設計

本文測量系統硬件設計的主要內容為數顯量具專用數據傳輸接口的硬件電路設計。本文選擇STM32F103XX作為主控芯片，根據上述接口基本功能需求，該硬件電路主要包括：數據采集電路、通信電路、電源轉換電路、人機交互電路，其設計框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件電路設計框圖

2.1 主控芯片

本系統所選主流增強型系列芯片STM32F103XX，采用32位基于ARM Cortex-M3內核的微處理器，CPU速度最高達72MHz，內置從16KB至1MB的Flash存儲器、6KB至96KB的RAM存儲器，多達112個通用I/O端口，包含通用定時器、看門狗定時器、高級控制定時器等多種定時器，12位逐次逼近型A/D轉換器，CAN、SDIO、USART、USB2.0全速接口等多個通信接口[5]。其中，USART接口多達5個，可進行串口通信，具有分數波特率發生器，可輸出更精準的波特率，通信速率高達4.5Mbit/s，同時支持異步通信、DMA操作，可進行高速數據通信；而USB接口符合全速USB2.0（1.2Mbit/s）相關標準技術規范，具有待機/恢復功能，可通過軟件對8個USB端點進行配置[6]。

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

綜上，本文選擇低成本STM32F103XX系列芯片，充分利用其內部集成的多種外設，簡化了外圍電路，易于實現高性能、小體積、多功能硬件電路設計。

2.2 數據采集電路

本系統數據采集電路主要用于采集數顯卡尺、數顯百分表等量具數據，其電路框圖如圖3所示。

圖3 數據采集電路框圖

數顯量具的數據由量具時鐘信號（CLK）、數據信號（DATA）相互配合輸出，量具輸出的時鐘信號、數據信號經數據采集接口輸入放大整形電路進行放大、濾波、去噪處理，再使用主控芯片STM32F103XX的I/O口對上述處理后的信號進行采集，并根據制定的數據幀協議，對采集到的不同數顯量具數據進行統一的格式轉換。

2.3 通信電路

本系統通信電路主要實現主控芯片與上位機之間的通信。通過設計RS232串口通信和USB轉串口通信兩種不同的通信方式，實現主控芯片數據上傳至上位機，上位機也可發送指令至主控芯片。兩者在進行通信前，其端口需設定一致的通信參數。

2.3.1 RS232串口通信電路

本系統設計的RS232串口通信電路，使用主控芯片USART口與上位機RS232串口進行通信。主控芯片USART口輸入輸出信號的電平采用正邏輯TTL電平標準，而RS232串口信號線的電平采用負邏輯RS232電平標準，存在兩個相互通信的端口采用不同的電平標準，主控芯片不能直接辨別串口信號的問題，因此使用電平轉換芯片進行TTL電平和RS232電平的互相轉換，實現兩者之間的通信[7-8]。RS232串口通信電路結構框圖如圖4所示。

圖4 RS232串口通信電路結構框圖

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

2.3.2 USB轉串口通信電路

USB接口具有統一的標準規范，包括電源線VCC、GND，信號線D+、D-，與TTL電平標準不兼容[9-10]。該接口支持熱插拔功能，并且便于攜帶、傳輸速度快、擴展性強、可連接多個設備，廣泛應用于工業測量領域的各小型通信設備。

本系統設計的USB轉串口通信電路，使用USB轉串口芯片，實現USB通信協議和UART串口通信協議的轉換，從而實現主控芯片與上位機的通信，其電路結構框圖如圖5所示[11]。

圖5 USB轉串口通信電路結構框圖

如圖5所示，USB轉串口芯片可進行USB電平與TTL電平的轉換，轉換芯片的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USB接口（虛擬串口），此時上位機安裝的相應USB轉串口芯片的驅動，可自動將USB接口虛擬為串口，通過選擇該COM口，即可與上位機進行通信。

2.4 電源轉換電路

本系統設計的硬件電路采用上位機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，因此該電源轉換電路需選擇合適的電源轉換芯片對接口電壓進行轉換，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 電源轉換電路框圖

2.5 人機交互電路

本系統人機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，測量數據即上傳至上位機接收軟件；LED燈用來指示數據傳輸接口與數顯量具、上位機的連接狀態，以及測量數據傳輸狀態。

圖7 人機交互電路

3 上位機接收軟件設計

本系統設計的上位機接收軟件操作簡單，通用性強，可接收多個通道不同類型量具的測量數據，實現量具測量數據的實時傳輸及顯示，并將測量結果保存至指定路徑的Excel表格中，方便對數據進行分析及處理，有利于對測量結果進行追溯，其流程圖如圖8所示。

如圖8所示，打開上位機接收軟件，選擇設備相應的COM口，并添加數據輸入位置等配置信息，之后啟動數據測量，軟件開始接收量具數據，數據測量停止后，保存數據并關閉軟件。

圖8 上位機接收軟件流程圖

4 結束語

本系統設計的數顯量具有線測量系統，可配合多種不同類型的數顯量具使用。該系統通過有線數據傳輸接口連接數顯量具和上位機，并采用上位機接收軟件，對多路量具的測量數據實現實時采集、分析及保存。本系統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，很好地實現了數字化測量，在大型工廠測量中得到了廣泛應用，一定程度上擴大了數顯量具的使用范圍。