外接式数显量具显示仪的设计

李冉琦，张天慈，罗永祥

（桂林广陆数字测控有限公司，广西 桂林 541213）

0 引言

随着全球制造业快速发展，在生产加工自动化领域，国内外市场上现有能接数显量具量仪的数据适配装置功能单一，缺乏灵活的数据运算、公差设置和声光报警等功能。而计量行业少数企业已有的数据采集方案仅实现了将数显量具的测量数据上传到客户端，缺少可以实现与容栅数显量具连接，并进行数据读取和显示、数据无线传输、公英制转换、任意位置置零、数据相关运算、设置公差上下限和超差声光报警等功能，不能满足工业测量的高要求、高标准、智能制造等发展要求。因此有必要设计一种完善数据便于观察，数据传输需要稳定，能进行实时数据运算、超差报警响应的新型测量仪。

设计了一款既可用于普通增量式容栅类量具，又可以应用于绝对原点型容栅量具（量具种类包含卡尺、百分表、千分表、千分尺、高度尺、标尺等）的外接式数显量具显示仪。该显示仪有数据保持、自动查找最大值、最小值、自动计算极值差的功能。可以人工设置公差上下限，超差声光报警[1]；能自动采样数据，并将数据通过无线蓝牙或者串口对外输出。

1 系统设计

设计的外接式数显量具显示仪主要由主控单元、LCD 显示单元、按键单元、超差声光报警单元、通讯单元、电源单元组成。电源单元为整个电路提供稳定的工作电源，主控单元是其他所有单元的核心，控制其他单元有序运行。硬件控制逻辑关系：低压差线性稳压器LDO 将叠层电池提供的9 V 电源电压转换成3 V 电压，为系统的MSP430F435 微控制器、LED 指示和声光报警电路供电；微控制器根据程序控制各个模块，处理获取的信号，数据运算传输并显示在LCD 液晶屏上，实现仪器的数据显示和报警提醒。通过蓝牙模块或者串口作为与用户设备通信的端口，可将采样的数据对外输出。系统用LED 红色指示灯与蜂鸣器实现仪器超差声光报警功能；功能按键可切换操作界面，实现数据显示、设置、通信等。系统控制框图如图1 所示。

图1 系统控制框图

2 系统硬件设计

2.1 主控单元

使用MSP430F435 为主控制器，连接数据指示灯和LCD 液晶显示模块。MSP430F435 是一种高性能、超低功耗的16 位微控制器，具有在线系统编程功能，方便工程应用调试。可对输入的数据进行常规处理计算，包括公英制切换、寻找极值、寻找极值差、设置公差和控制数据发送。数据指示灯用于数据有线或者无线传输时的状态显示。LCD 液晶显示模块用于显示测量数据和功能切换指示。主控单元原理图如图2 所示。

图2 主控单元原理图

2.2 电源模块

供电单元包括电源和线性稳压器（LDO）电源管理模块，二者串联后与主控单元连接[2]。LDO 电源管理模块采用的是50 mA 低压差线性稳压器TPS71501，具有超低功耗和良好的输出功率，将电源电压输出转换成稳定的3 V 电压，为各单元供能，用于驱动微控制器以及各功能模块。电源模块原理图如图3 所示。

图3 电源模块原理图

2.3 声光报警模块

超差声光告警单元包括LED 报警灯模块与蜂鸣器模块。LED 报警灯模块与蜂鸣器模块分别与主控单元连接，由主控单元控制产生响应，实现仪器超差声光报警功能。声光告警模块原理图如图4 所示。

图4 声光报警模块原理图

2.4 蓝牙通讯模块

蓝牙模块采用SBM14580M 实现数据传输，此模块是超低功耗、超小尺寸的BLE 4.0 模块，其透传模式具有传输功耗更低、传输距离更远、传输稳定性更好的特点。低功耗蓝牙设计可用深度睡眠状态来代替传统蓝牙的空闲状态[3]。其睡眠模式功耗小于2.7 uA，带有透传程序，简单易用。串口输出接口为耳机插座的形式，常规线长1.5 m，加放大器可达400 m。蓝牙模块原理图如图5 所示。

图5 蓝牙模块原理图

2.5 按键模块

按键模块实现对外接式数显量具显示仪的操作控制。设置有以下按键。

（ON/OFF/BL）键：短按该按键可以对显示仪开机和关机；长按则打开和关闭背光。

（in/mm/M）键：短按该按键可以切换公英制显示；长按为M 功能键，按一下时屏幕左上角会出现“HOLD”，此时显示的数据保持不变，再按一下保持功能取消；按住“M”键不动，屏幕左边会出现“MAX”，此时显示仪为寻找最大值的功能；再按住“M”键不动，屏幕左边会出现“MIN”，此时显示器为寻找最小值的功能；再按住“M”键不动，屏幕会出现“△”，此时显示器为寻找极值差功能；再按住“M”键不动，显示器恢复正常显示。在寻找最大值、最小值和极值差的功能下，短按该键则重新查找。

（ZERO/TOL）键：短按该按键可以对量具清零；长按则进入TOL 设置状态，此时屏幕右边显示“TOL SET”字符，左边如果显示“MAX”则是设置上公差，如果显示“MIN”则是设置下公差，设置状态下短按该建则数字加1，长按则向后移动一位。如果需要连续向后移动多位，则按住该键不放就会连续向后移动。设置完成后自动进入公差判别模式，此时右侧显示TOL 字符，左侧如果显示GO 则表示公差合格，如果显示NO GO 则表示测量结果超差，此时有语声各闪光同时报警。

（SENT）键：短按该按键可以把屏幕上的显示值通过无线蓝牙或者串口对外输出。

将连接线插头插入量具的插孔，点按（OFF/ON）键，显示仪进入工作状态，之后即可按照以上按键功能完成对应操作控制。

按键模块原理图如图6 所示。

图6 按键模块原理图

3 系统软件程序设计

系统软件程序实现系统初始化和额外的应用功能，包括公英制切换、寻找极值、寻找极值差、设置公差和控制数据发送和超差声光报警功能。

程序系统控制逻辑：首先完成上电自检，对微控制器MSP430F435 及各I/O 口进行初始化和端口配置。然后等待各模块运行并生成稳定数据，通过按键模块控制系统执行不同的程序，实现不同的功能，同时微控制器控制液晶屏接收并显示数据。最后传输数据到用户设备的程序流程，微控制器发送命令对串口初始化，用户终端设备通过串口或者无线蓝牙接收数据，如图7 所示。

图7 程序流程图

4 系统测试

设计实现的外接式数显量具显示仪如图8 所示。经测试，量具兼容性正常，按键功能、液晶显示、超差报警功能、数据传输功能正常。高温下运行、低温下运行、湿度变化、振动型式试验等系列行业标准比较分析，结果表明，该设计达到预期目标并申报国家实用新型专利，获得国家专利并进入批量投产。

图8 外接式数显量具显示仪实物

5 结束语

基于市场的实际需求，从量具兼容性、公差带设置、超差报警、自动寻找极限值、无线传输数据和背光显示等方面着手，通过电路设计和软件控制设计来实现一种能够满足综合性需求并适用工业现场实际需求的外接式显示仪。该产品可以适用于普通增量式容栅类量具，也可以适用于绝对原点型新型容栅量具（量具种类包含卡尺、百分表、千分表、千分尺、高度尺、标尺等）。经大量用户反馈，该显示仪性能稳定，功能多样，结构小巧，使用灵活方便，提高了工业现场的生产效率。