数显量具有线测量系统的设计

王玉珍，谢两可

（1.北京航天试验技术研究所，北京 100074；2.北京市航天动力试验技术与装备工程技术研究中心，北京 100074）

近年来，数显量具以其操作简单、读数方便等特点被广泛应用于工业检测领域。随着工业现场检测对象数量的逐渐增多，待测数据量也随之大幅度增加，依靠传统手工记录分析大量测量数据不仅耗费时间和精力，而且效率极低、人为干扰因素较大、无实时性。因此，市场对工业实时在线化测量提出强烈需求[1-2]。

目前，由于测量场景不同，检测对象复杂多样，同一对象会出现使用多个不同厂家不同类型的数显量具进行测量的现象，而数显量具的数据接口又没有统一的标准，测量数据只能上传至与各量具相对应的测量系统，所以市场测量系统的兼容性较差，数据很难进行统一管理[3]。

随着通信技术的快速发展，有线通信技术发展越来越成熟，其具有抗干扰性强、稳定性好、安全性高、可靠性高等特点，在工业领域通信设备中也得到很好的应用。

基于上述原因及市场需求，本文进行数显量具有线测量系统的设计。该系统可将数显卡尺、数显百分表等多个数显量具的测量数据通过数据传输接口，以有线传输方式快速、实时地上传至上位机，并被上位机接收软件接收，能够有效、可靠地完成数据的传输，实现低成本、高效率、性能稳定的在线化测量。

1 系统基本组成

本文设计的数据测量系统主要由数显量具专用数据传输接口和上位机接收软件两部分组成，其基本测量原理框图如图1所示[4]。该有线接口的数据采集线一端插入数显量具的数据接口，另一端经数据传输线连接上位机，通过该专用接口主要完成对量具数据的采集及处理，并将处理后的数据传输至上位机接收软件，上位机接收软件则根据软件配置对接收到的量具数据进行显示、存储等。

图1 测量系统基本测量原理框图

2 系统硬件设计

本文测量系统硬件设计的主要内容为数显量具专用数据传输接口的硬件电路设计。本文选择STM32F103XX作为主控芯片，根据上述接口基本功能需求，该硬件电路主要包括：数据采集电路、通信电路、电源转换电路、人机交互电路，其设计框图如图2所示。

图2 系统硬件电路设计框图

2.1 主控芯片

本系统所选主流增强型系列芯片STM32F103XX，采用32位基于ARM Cortex-M3内核的微处理器，CPU速度最高达72MHz，内置从16KB至1MB的Flash存储器、6KB至96KB的RAM存储器，多达112个通用I/O端口，包含通用定时器、看门狗定时器、高级控制定时器等多种定时器，12位逐次逼近型A/D转换器，CAN、SDIO、USART、USB2.0全速接口等多个通信接口[5]。其中，USART接口多达5个，可进行串口通信，具有分数波特率发生器，可输出更精准的波特率，通信速率高达4.5Mbit/s，同时支持异步通信、DMA操作，可进行高速数据通信；而USB接口符合全速USB2.0（1.2Mbit/s）相关标准技术规范，具有待机/恢复功能，可通过软件对8个USB端点进行配置[6]。

该系列芯片工作电压为2.0V至3.6V，支持待机、停机、睡眠3种低功耗模式，具有SWD单线调试模式，占用引脚少，节约空间，高速模式下更加可靠。

综上，本文选择低成本STM32F103XX系列芯片，充分利用其内部集成的多种外设，简化了外围电路，易于实现高性能、小体积、多功能硬件电路设计。

2.2 数据采集电路

本系统数据采集电路主要用于采集数显卡尺、数显百分表等量具数据，其电路框图如图3所示。

图3 数据采集电路框图

数显量具的数据由量具时钟信号（CLK）、数据信号（DATA）相互配合输出，量具输出的时钟信号、数据信号经数据采集接口输入放大整形电路进行放大、滤波、去噪处理，再使用主控芯片STM32F103XX的I/O口对上述处理后的信号进行采集，并根据制定的数据帧协议，对采集到的不同数显量具数据进行统一的格式转换。

2.3 通信电路

本系统通信电路主要实现主控芯片与上位机之间的通信。通过设计RS232串口通信和USB转串口通信两种不同的通信方式，实现主控芯片数据上传至上位机，上位机也可发送指令至主控芯片。两者在进行通信前，其端口需设定一致的通信参数。

2.3.1 RS232串口通信电路

本系统设计的RS232串口通信电路，使用主控芯片USART口与上位机RS232串口进行通信。主控芯片USART口输入输出信号的电平采用正逻辑TTL电平标准，而RS232串口信号线的电平采用负逻辑RS232电平标准，存在两个相互通信的端口采用不同的电平标准，主控芯片不能直接辨别串口信号的问题，因此使用电平转换芯片进行TTL电平和RS232电平的互相转换，实现两者之间的通信[7-8]。RS232串口通信电路结构框图如图4所示。

图4 RS232串口通信电路结构框图

如图4所示，主控芯片USART接口USART_TX管脚的TTL电平信号，通过电平转换芯片转换为RS232电平信号，再经DB9串口连接线传送至上位机DB9接口的RXD管脚；上位机DB9接口TXD管脚的RS232电平信号，经DB9串口连接线传送至电平转换芯片，并转换为TTL电平信号，之后送入主控芯片USART接口的USART_RX管脚。

2.3.2 USB转串口通信电路

USB接口具有统一的标准规范，包括电源线VCC、GND，信号线D+、D-，与TTL电平标准不兼容[9-10]。该接口支持热插拔功能，并且便于携带、传输速度快、扩展性强、可连接多个设备，广泛应用于工业测量领域的各小型通信设备。

本系统设计的USB转串口通信电路，使用USB转串口芯片，实现USB通信协议和UART串口通信协议的转换，从而实现主控芯片与上位机的通信，其电路结构框图如图5所示[11]。

图5 USB转串口通信电路结构框图

如图5所示，USB转串口芯片可进行USB电平与TTL电平的转换，转换芯片的RXD、TXD管脚可直接连接主控芯片USART接口的USART_TX、USART_RX管脚，另一端通过USB接口连接线连接上位机USB接口（虚拟串口），此时上位机安装的相应USB转串口芯片的驱动，可自动将USB接口虚拟为串口，通过选择该COM口，即可与上位机进行通信。

2.4 电源转换电路

本系统设计的硬件电路采用上位机DB9接口或USB接口供电。由于主控芯片及外围器件工作电压为3.3V，因此该电源转换电路需选择合适的电源转换芯片对接口电压进行转换，提供各硬件电路正常工作电压，其电路框图如图6所示。

图6 电源转换电路框图

2.5 人机交互电路

本系统人机交互电路主要包括按键、LED灯，其电路框图如图7所示。按键每按一下，测量数据即上传至上位机接收软件；LED灯用来指示数据传输接口与数显量具、上位机的连接状态，以及测量数据传输状态。

图7 人机交互电路

3 上位机接收软件设计

本系统设计的上位机接收软件操作简单，通用性强，可接收多个通道不同类型量具的测量数据，实现量具测量数据的实时传输及显示，并将测量结果保存至指定路径的Excel表格中，方便对数据进行分析及处理，有利于对测量结果进行追溯，其流程图如图8所示。

如图8所示，打开上位机接收软件，选择设备相应的COM口，并添加数据输入位置等配置信息，之后启动数据测量，软件开始接收量具数据，数据测量停止后，保存数据并关闭软件。

图8 上位机接收软件流程图

4 结束语

本系统设计的数显量具有线测量系统，可配合多种不同类型的数显量具使用。该系统通过有线数据传输接口连接数显量具和上位机，并采用上位机接收软件，对多路量具的测量数据实现实时采集、分析及保存。本系统具有两种不同的通信接口供用户选择，其操作灵活方便、传输可靠、兼容性高，很好地实现了数字化测量，在大型工厂测量中得到了广泛应用，一定程度上扩大了数显量具的使用范围。