無線數顯卡尺數據采集與傳輸系統的研發

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）

工業檢測領域隨著現場環境的逐漸復雜，測量設備越發繁雜，測量數據急劇增多，對現場數據的采集與傳輸提出更高的要求。傳統的數據采集系統多通過線纜等連接數顯量具與上位機實現數據有線測量，在傳輸距離較遠不易布線的測量場景下，該系統不能很好地滿足測量需求[1-2]。

目前短距離無線網絡技術日益成熟，其受現場地理環境限制少、擴展性高的影響，已廣泛應用于各行業[3-4]。國內外各量具廠家也基于該技術開發相關的無線傳輸設備，使用無線形式實現數據的采集與傳輸[5-6]。該無線傳輸系統通常采用數顯量具之外的無線發射器，與量具經數據采集接口連接，但是此種連接方式操作較復雜、整體體積偏大、成本較高，并且其上位機軟件功能單一，不便于測量數據的定向顯示及分析。

基于上述原因及市場需求，本文提出對無線數顯卡尺數據采集與傳輸系統進行研發。該系統主要包括無線數顯卡尺及上位機Excel定向輸入軟件的設計，其中數顯卡尺內置無線傳輸功能，可直接進行測量數據的無線傳輸，實現數據上傳至上位機軟件，整個系統具有低功耗、低成本、高可靠性等特點。

1 系統總體方案設計

本文研發的數據采集與傳輸系統主要包括無線數顯卡尺和上位機Excel定向輸入軟件，其總體架構框圖如圖1所示。無線數顯卡尺將測量數據以無線傳輸方式發送給無線接收器，無線接收器接收到數據后采用USB轉串口方式將數據上傳至上位機，經上位機Excel定向輸入軟件在Excel表格指定區域內實時顯示測量數據。本系統可實現一主多從的數據采集與傳輸，即可將多個無線數顯卡尺測量數據傳輸到定向輸入軟件，方便多通道數據有序地進行在線集中分析及管理。

圖1 系統總體架構框圖

2 無線數顯卡尺設計

本系統無線數顯卡尺容柵測量轉換模塊與無線射頻模塊均設計在數顯卡尺結構內部。其卡尺硬件電路設計框圖如圖2所示。

圖2 無線數顯卡尺硬件電路設計框圖

2.1 容柵測量轉換模塊設計

本系統無線數顯卡尺容柵測量轉換模塊驅動容柵傳感器進行位移測量，并將傳感器信號處理轉換為二進制數字信號，驅動液晶顯示屏顯示位移值，同時將該信號傳送至無線射頻模塊。

2.2 無線射頻模塊設計

本系統無線數顯卡尺射頻模塊完成容柵測量轉換模塊信號的采集和格式轉換后進行無線發射，其硬件電路設計框圖如圖3所示，主要包括射頻芯片、電平轉換電路、EEPROM、RF天線電路等，其中Send按鍵用于發送數據，LED燈用來提示用戶數據是否成功發送。

圖3 無線射頻模塊硬件電路設計框圖

2.2.1 ZigBee技術

ZigBee技術作為一種新型短距離無線通信技術，基于專門的無線電標準可進行上千個傳感器互相協調通信，實現數據信息無線傳輸，最終該數據信息可傳輸到計算機進行分析或者被另一種無線技術所收集[7-8]。表1是ZigBee技術與另外兩種常用的無線通信技術Wi-Fi、Bluetooth的比較情況。

表1 三種短距離無線通信技術的比較

通過表1比較，上述三種無線技術均可工作于免授權的2.4 G ISM頻段，其中ZigBee在該頻段上有16個間隔5MHz的通道，且該技術相比之下成本低、功耗小、安全性較高、網絡容量最大、數據傳輸速率低，在智能測量領域、醫療監護系統得到了很好的應用。

2.2.2 射頻芯片

本文采用TI公司的2.4 GHz射頻芯片進行無線射頻模塊設計，該芯片工作電壓為2.0 V-3.6 V，具有標準的8051增強型CPU內核，支持IEEE802.1 5.4標準和Zig－Bee應用。其內部主要結構框圖如圖4所示，主要集成32KB/64KB等多種容量閃存，8KB SRAM，21個GPIO端口，DMA控制器，A/D轉換器，1個IEEE802.1 5.4MAC計時器及多個通用計時器，32-KHz睡眠定時器，2個USART接口，AES安全協處理器，高性能RF收發器等部分。該芯片擁有多種運行模式，可實現低功耗工作，同時具有小體積、高接收靈敏度及抗干擾能力。

圖4 射頻芯片內部主要結構框圖

2.2.3 電平轉換電路

本文無線數顯卡尺的容柵測量模塊輸出信號的電平為1.5 V，射頻模塊工作電壓為3.3 V，為了穩定采集容柵輸出信號，需要對其進行電平轉換[9]。

本文射頻模塊電平轉換電路選擇推挽輸出微功耗比較器，該比較器兼容CMOS/TTL輸出，具有寬電源電壓范圍，能夠在低至1.6 V單電源供電下工作，可提供雙路電壓比較。本模塊電平轉換電路基本原理圖如圖5所示。容柵測量模塊輸出的數據信號（R_DAT）、時鐘信號（R_CLK）分別接入比較器的正相輸入端，比較電壓（VIN-約1.1 V）接入比較器的反相輸入端。根據比較器工作原理比較VR_DAT、VR_CLK與VIN-，并將經電平轉換后的輸出信號DAT、CLK接入射頻芯片進行數據處理。

圖5 電平轉換電路基本原理圖

2.2.4 EEPROM

本文射頻模塊電路部分所選存儲器為EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器），主要用來存儲無線數顯卡尺ID號，掉電后ID號不丟失。該存儲器是一種利用計算機或專用設備可擦除已有數據并重新編程的存儲芯片，其采用低功耗CMOS技術，可在較低電壓下正常運行，具有2線串行接口、硬件寫保護、上百萬次的擦除/寫入周期、數據保留時間超過200年以及小體積封裝結構等特點。

2.2.5 RF天線電路

本文射頻模塊的RF天線電路部分主要進行無線電波的發射或接收，實現高頻電流與電磁能量的相互轉換。常用的RF天線有：陶瓷天線、PCB天線以及鞭狀天線，表2為上述不同類型天線的優缺點對比情況。

表2 各類型天線優缺點對比

通過表2對比，綜合考慮設計成本、結構空間等因素，本電路選擇PCB天線。在天線電路設計時需注意巴倫、阻抗匹配；天線周圍空間不放置其他元器件且不敷銅；射頻走線線寬一致，要遠離高頻信號線且周圍加地孔屏蔽等，最大限度發揮良好穩定的射頻性能。

3 Excel定向輸入軟件設計

本系統Excel定向輸入軟件配合無線接收器，對接收到的測量數據按照軟件配置文件添加的配置信息（寫入區域及寫入方向）輸入到Excel表格中并進行保存，該配置信息根據需求可修改或刪除，其配置信息如圖6所示。該軟件可接收多個通道設備的數據，而每個通道的設備可以添加多條配置信息，并且同一通道的配置信息可以通過“↑”或“↓”調整順序，從而設定該通道數據寫入不同指定區域的先后順序。另外，該軟件在系統測量過程中，可對測量數據進行數據取消、數據跳過、重新測量等操作。

圖6 定向輸入軟件配置信息

4 結束語

本文系統基于短距離無線網絡技術和軟件開發技術對無線數顯卡尺以及Excel定向輸入軟件進行設計，不需要額外配外置無線發射器或數據傳輸線，通過配合無線接收器即可實現將多個無線數顯卡尺測量數據傳輸至Excel表格指定區域。該系統硬件電路設計簡單，軟件界面設計簡潔、功能多樣，具有低成本，低功耗等特點，易組成小型局域網，便于數顯量具組網通信，實現真正意義上的在線智能測量。