王玉珍,謝兩可
(1.北京航天試驗技術(shù)研究所,北京 100074;2.北京市航天動力試驗技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,北京 100074)
近年來,數(shù)顯量具以其操作簡單、讀數(shù)方便等特點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域。隨著工業(yè)現(xiàn)場檢測對象數(shù)量的逐漸增多,待測數(shù)據(jù)量也隨之大幅度增加,依靠傳統(tǒng)手工記錄分析大量測量數(shù)據(jù)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(yè)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(fù)雜多樣,同一對象會出現(xiàn)使用多個不同廠家不同類型的數(shù)顯量具進(jìn)行測量的現(xiàn)象,而數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)接口又沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),測量數(shù)據(jù)只能上傳至與各量具相對應(yīng)的測量系統(tǒng),所以市場測量系統(tǒng)的兼容性較差,數(shù)據(jù)很難進(jìn)行統(tǒng)一管理[3]。
隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展,有線通信技術(shù)發(fā)展越來越成熟,其具有抗干擾性強、穩(wěn)定性好、安全性高、可靠性高等特點,在工業(yè)領(lǐng)域通信設(shè)備中也得到很好的應(yīng)用。
基于上述原因及市場需求,本文進(jìn)行數(shù)顯量具有線測量系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)可將數(shù)顯卡尺、數(shù)顯百分表等多個數(shù)顯量具的測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的傳輸,實現(xiàn)低成本、高效率、性能穩(wěn)定的在線化測量。
本文設(shè)計的數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)主要由數(shù)顯量具專用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集線一端插入數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)接口,另一端經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線連接上位機,通過該專用接口主要完成對量具數(shù)據(jù)的采集及處理,并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至上位機接收軟件,上位機接收軟件則根據(jù)軟件配置對接收到的量具數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲等。
圖1 測量系統(tǒng)基本測量原理框圖
本文測量系統(tǒng)硬件設(shè)計的主要內(nèi)容為數(shù)顯量具專用數(shù)據(jù)傳輸接口的硬件電路設(shè)計。本文選擇STM32F103XX作為主控芯片,根據(jù)上述接口基本功能需求,該硬件電路主要包括:數(shù)據(jù)采集電路、通信電路、電源轉(zhuǎn)換電路、人機交互電路,其設(shè)計框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖
本系統(tǒng)所選主流增強型系列芯片STM32F103XX,采用32位基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器,CPU速度最高達(dá)72MHz,內(nèi)置從16KB至1MB的Flash存儲器、6KB至96KB的RAM存儲器,多達(dá)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(zhuǎn)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(dá)5個,可進(jìn)行串口通信,具有分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器,可輸出更精準(zhǔn)的波特率,通信速率高達(dá)4.5Mbit/s,同時支持異步通信、DMA操作,可進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信;而USB接口符合全速USB2.0(1.2Mbit/s)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范,具有待機/恢復(fù)功能,可通過軟件對8個USB端點進(jìn)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(diào)試模式,占用引腳少,節(jié)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(nèi)部集成的多種外設(shè),簡化了外圍電路,易于實現(xiàn)高性能、小體積、多功能硬件電路設(shè)計。
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路主要用于采集數(shù)顯卡尺、數(shù)顯百分表等量具數(shù)據(jù),其電路框圖如圖3所示。
圖3 數(shù)據(jù)采集電路框圖
數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)由量具時鐘信號(CLK)、數(shù)據(jù)信號(DATA)相互配合輸出,量具輸出的時鐘信號、數(shù)據(jù)信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集接口輸入放大整形電路進(jìn)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(jìn)行采集,并根據(jù)制定的數(shù)據(jù)幀協(xié)議,對采集到的不同數(shù)顯量具數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的格式轉(zhuǎn)換。
本系統(tǒng)通信電路主要實現(xiàn)主控芯片與上位機之間的通信。通過設(shè)計RS232串口通信和USB轉(zhuǎn)串口通信兩種不同的通信方式,實現(xiàn)主控芯片數(shù)據(jù)上傳至上位機,上位機也可發(fā)送指令至主控芯片。兩者在進(jìn)行通信前,其端口需設(shè)定一致的通信參數(shù)。
2.3.1 RS232串口通信電路
本系統(tǒng)設(shè)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn),而RS232串口信號線的電平采用負(fù)邏輯RS232電平標(biāo)準(zhǔn),存在兩個相互通信的端口采用不同的電平標(biāo)準(zhǔn),主控芯片不能直接辨別串口信號的問題,因此使用電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行TTL電平和RS232電平的互相轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)兩者之間的通信[7-8]。RS232串口通信電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
圖4 RS232串口通信電路結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS232電平信號,再經(jīng)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(jīng)DB9串口連接線傳送至電平轉(zhuǎn)換芯片,并轉(zhuǎn)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(zhuǎn)串口通信電路
USB接口具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,包括電源線VCC、GND,信號線D+、D-,與TTL電平標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備,廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量領(lǐng)域的各小型通信設(shè)備。
本系統(tǒng)設(shè)計的USB轉(zhuǎn)串口通信電路,使用USB轉(zhuǎn)串口芯片,實現(xiàn)USB通信協(xié)議和UART串口通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)主控芯片與上位機的通信,其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示[11]。
圖5 USB轉(zhuǎn)串口通信電路結(jié)構(gòu)框圖
如圖5所示,USB轉(zhuǎn)串口芯片可進(jìn)行USB電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)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(yīng)USB轉(zhuǎn)串口芯片的驅(qū)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(jìn)行通信。
本系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)換電路需選擇合適的電源轉(zhuǎn)換芯片對接口電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路框圖
本系統(tǒng)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(shù)據(jù)即上傳至上位機接收軟件;LED燈用來指示數(shù)據(jù)傳輸接口與數(shù)顯量具、上位機的連接狀態(tài),以及測量數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。
圖7 人機交互電路
本系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù),實現(xiàn)量具測量數(shù)據(jù)的實時傳輸及顯示,并將測量結(jié)果保存至指定路徑的Excel表格中,方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理,有利于對測量結(jié)果進(jìn)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(shè)備相應(yīng)的COM口,并添加數(shù)據(jù)輸入位置等配置信息,之后啟動數(shù)據(jù)測量,軟件開始接收量具數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)測量停止后,保存數(shù)據(jù)并關(guān)閉軟件。
圖8 上位機接收軟件流程圖
本系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)顯量具有線測量系統(tǒng),可配合多種不同類型的數(shù)顯量具使用。該系統(tǒng)通過有線數(shù)據(jù)傳輸接口連接數(shù)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(shù)據(jù)實現(xiàn)實時采集、分析及保存。本系統(tǒng)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(xiàn)了數(shù)字化測量,在大型工廠測量中得到了廣泛應(yīng)用,一定程度上擴大了數(shù)顯量具的使用范圍。