无线数显卡尺数据采集与传输系统的研发

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）

工业检测领域随着现场环境的逐渐复杂，测量设备越发繁杂，测量数据急剧增多，对现场数据的采集与传输提出更高的要求。传统的数据采集系统多通过线缆等连接数显量具与上位机实现数据有线测量，在传输距离较远不易布线的测量场景下，该系统不能很好地满足测量需求[1-2]。

目前短距离无线网络技术日益成熟，其受现场地理环境限制少、扩展性高的影响，已广泛应用于各行业[3-4]。国内外各量具厂家也基于该技术开发相关的无线传输设备，使用无线形式实现数据的采集与传输[5-6]。该无线传输系统通常采用数显量具之外的无线发射器，与量具经数据采集接口连接，但是此种连接方式操作较复杂、整体体积偏大、成本较高，并且其上位机软件功能单一，不便于测量数据的定向显示及分析。

基于上述原因及市场需求，本文提出对无线数显卡尺数据采集与传输系统进行研发。该系统主要包括无线数显卡尺及上位机Excel定向输入软件的设计，其中数显卡尺内置无线传输功能，可直接进行测量数据的无线传输，实现数据上传至上位机软件，整个系统具有低功耗、低成本、高可靠性等特点。

1 系统总体方案设计

本文研发的数据采集与传输系统主要包括无线数显卡尺和上位机Excel定向输入软件，其总体架构框图如图1所示。无线数显卡尺将测量数据以无线传输方式发送给无线接收器，无线接收器接收到数据后采用USB转串口方式将数据上传至上位机，经上位机Excel定向输入软件在Excel表格指定区域内实时显示测量数据。本系统可实现一主多从的数据采集与传输，即可将多个无线数显卡尺测量数据传输到定向输入软件，方便多通道数据有序地进行在线集中分析及管理。

图1 系统总体架构框图

2 无线数显卡尺设计

本系统无线数显卡尺容栅测量转换模块与无线射频模块均设计在数显卡尺结构内部。其卡尺硬件电路设计框图如图2所示。

图2 无线数显卡尺硬件电路设计框图

2.1 容栅测量转换模块设计

本系统无线数显卡尺容栅测量转换模块驱动容栅传感器进行位移测量，并将传感器信号处理转换为二进制数字信号，驱动液晶显示屏显示位移值，同时将该信号传送至无线射频模块。

2.2 无线射频模块设计

本系统无线数显卡尺射频模块完成容栅测量转换模块信号的采集和格式转换后进行无线发射，其硬件电路设计框图如图3所示，主要包括射频芯片、电平转换电路、EEPROM、RF天线电路等，其中Send按键用于发送数据，LED灯用来提示用户数据是否成功发送。

图3 无线射频模块硬件电路设计框图

2.2.1 ZigBee技术

ZigBee技术作为一种新型短距离无线通信技术，基于专门的无线电标准可进行上千个传感器互相协调通信，实现数据信息无线传输，最终该数据信息可传输到计算机进行分析或者被另一种无线技术所收集[7-8]。表1是ZigBee技术与另外两种常用的无线通信技术Wi-Fi、Bluetooth的比较情况。

表1 三种短距离无线通信技术的比较

通过表1比较，上述三种无线技术均可工作于免授权的2.4 G ISM频段，其中ZigBee在该频段上有16个间隔5MHz的通道，且该技术相比之下成本低、功耗小、安全性较高、网络容量最大、数据传输速率低，在智能测量领域、医疗监护系统得到了很好的应用。

2.2.2 射频芯片

本文采用TI公司的2.4 GHz射频芯片进行无线射频模块设计，该芯片工作电压为2.0 V-3.6 V，具有标准的8051增强型CPU内核，支持IEEE802.1 5.4标准和Zig－Bee应用。其内部主要结构框图如图4所示，主要集成32KB/64KB等多种容量闪存，8KB SRAM，21个GPIO端口，DMA控制器，A/D转换器，1个IEEE802.1 5.4MAC计时器及多个通用计时器，32-KHz睡眠定时器，2个USART接口，AES安全协处理器，高性能RF收发器等部分。该芯片拥有多种运行模式，可实现低功耗工作，同时具有小体积、高接收灵敏度及抗干扰能力。

图4 射频芯片内部主要结构框图

2.2.3 电平转换电路

本文无线数显卡尺的容栅测量模块输出信号的电平为1.5 V，射频模块工作电压为3.3 V，为了稳定采集容栅输出信号，需要对其进行电平转换[9]。

本文射频模块电平转换电路选择推挽输出微功耗比较器，该比较器兼容CMOS/TTL输出，具有宽电源电压范围，能够在低至1.6 V单电源供电下工作，可提供双路电压比较。本模块电平转换电路基本原理图如图5所示。容栅测量模块输出的数据信号（R_DAT）、时钟信号（R_CLK）分别接入比较器的正相输入端，比较电压（VIN-约1.1 V）接入比较器的反相输入端。根据比较器工作原理比较VR_DAT、VR_CLK与VIN-，并将经电平转换后的输出信号DAT、CLK接入射频芯片进行数据处理。

图5 电平转换电路基本原理图

2.2.4 EEPROM

本文射频模块电路部分所选存储器为EEPROM（带电可擦可编程只读存储器），主要用来存储无线数显卡尺ID号，掉电后ID号不丢失。该存储器是一种利用计算机或专用设备可擦除已有数据并重新编程的存储芯片，其采用低功耗CMOS技术，可在较低电压下正常运行，具有2线串行接口、硬件写保护、上百万次的擦除/写入周期、数据保留时间超过200年以及小体积封装结构等特点。

2.2.5 RF天线电路

本文射频模块的RF天线电路部分主要进行无线电波的发射或接收，实现高频电流与电磁能量的相互转换。常用的RF天线有：陶瓷天线、PCB天线以及鞭状天线，表2为上述不同类型天线的优缺点对比情况。

表2 各类型天线优缺点对比

通过表2对比，综合考虑设计成本、结构空间等因素，本电路选择PCB天线。在天线电路设计时需注意巴伦、阻抗匹配；天线周围空间不放置其他元器件且不敷铜；射频走线线宽一致，要远离高频信号线且周围加地孔屏蔽等，最大限度发挥良好稳定的射频性能。

3 Excel定向输入软件设计

本系统Excel定向输入软件配合无线接收器，对接收到的测量数据按照软件配置文件添加的配置信息（写入区域及写入方向）输入到Excel表格中并进行保存，该配置信息根据需求可修改或删除，其配置信息如图6所示。该软件可接收多个通道设备的数据，而每个通道的设备可以添加多条配置信息，并且同一通道的配置信息可以通过“↑”或“↓”调整顺序，从而设定该通道数据写入不同指定区域的先后顺序。另外，该软件在系统测量过程中，可对测量数据进行数据取消、数据跳过、重新测量等操作。

图6 定向输入软件配置信息

4 结束语

本文系统基于短距离无线网络技术和软件开发技术对无线数显卡尺以及Excel定向输入软件进行设计，不需要额外配外置无线发射器或数据传输线，通过配合无线接收器即可实现将多个无线数显卡尺测量数据传输至Excel表格指定区域。该系统硬件电路设计简单，软件界面设计简洁、功能多样，具有低成本，低功耗等特点，易组成小型局域网，便于数显量具组网通信，实现真正意义上的在线智能测量。