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摘要：數(shù)顯量具以其便捷可靠的測(cè)量方式在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有了廣泛的應(yīng)用，而隨著工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化的進(jìn)程加速，測(cè)量數(shù)據(jù)龐大，對(duì)于人工測(cè)量、人工記錄的方式使得測(cè)量效率較為低下，因此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一收集、分析，能較大地提升測(cè)量效率，且能夠?yàn)楹罄m(xù)數(shù)據(jù)處理加工奠定基礎(chǔ)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)以及質(zhì)量控制。隨著近年電子技術(shù)以及通信技術(shù)的高速發(fā)展，量具行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集有了較大范圍的應(yīng)用，精確地?cái)?shù)據(jù)采集和傳輸為工廠解決了手動(dòng)計(jì)數(shù)的不便，保障了數(shù)據(jù)記錄的便捷性和實(shí)時(shí)性，更為工廠后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理提供了保障。那么如何將數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集，并轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)據(jù)呢？

一、數(shù)顯量具輸出形式和輸出格式介紹

目前市面上的量具有帶數(shù)據(jù)接口的，有不帶數(shù)據(jù)接口的，為了采集數(shù)顯量具的輸出數(shù)據(jù)，數(shù)顯量具上必須帶有數(shù)據(jù)輸出接口，這是設(shè)計(jì)數(shù)顯傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)不同的量具的硬件形式和傳輸協(xié)議選擇相對(duì)應(yīng)的傳輸接口，并通過單片機(jī)系統(tǒng)按照其傳輸協(xié)議進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)識(shí)別的格式。

1-量具接口的物理形式差別

量具數(shù)據(jù)輸出接口在硬件形式上分為四爪接口，五爪接口，MiniUSB，microUSB，TypeC接口等，其中四爪接口在早期的國產(chǎn)量具出現(xiàn)的較多，現(xiàn)在基本上已經(jīng)不再使用該形式的接口；而五爪接口在日本三豐的量具上使用的較多，直至現(xiàn)在仍在使用。MiniUSB和MicroUSB現(xiàn)在很多廠家均在使用，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上有所不一樣，內(nèi)部線束的數(shù)量也不一樣，MiniUSB為四芯線，而MicroUSB為五芯線，但量具上大多真正有用的只有四根線，所以MicroUSB大多數(shù)時(shí)候?yàn)樗男揪€。

2-量具的傳輸信號(hào)介紹

以上為接口的硬件結(jié)構(gòu)上的差別，實(shí)際上最終要轉(zhuǎn)換為單片機(jī)識(shí)別的格式，那么就需要按照一定的規(guī)律去傳輸，這些規(guī)律就是數(shù)顯量具的輸出格式，也稱為傳輸協(xié)議。不同的量具有不同的傳輸協(xié)議，量具數(shù)據(jù)傳輸分為主動(dòng)發(fā)數(shù)和被動(dòng)發(fā)數(shù)，主動(dòng)發(fā)數(shù)是量具依據(jù)原先設(shè)定的協(xié)議規(guī)定定時(shí)向外傳輸信號(hào)；被動(dòng)發(fā)數(shù)則是只有在滿足一定條件下才會(huì)向外傳輸信號(hào)，比如ready信號(hào)有效時(shí)，信號(hào)才會(huì)傳輸。

3-量具傳輸?shù)男盘?hào)為TTL電平

大多數(shù)量具的輸出信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，分為高低電平，其中高電平為1.5V或3V左右，此時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)1，而低電平為低于某電壓數(shù)值，在數(shù)字信號(hào)中為0。以某卡尺傳輸協(xié)議為例，沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸線的電平一直輸出高電平，也就是邏輯1，傳輸方向根據(jù)協(xié)議定義為低位在前的，依次傳輸。

二、傳輸系統(tǒng)整體電路框圖設(shè)計(jì)

整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路框圖見圖1，首先對(duì)量具信號(hào)通過相應(yīng)的電路進(jìn)行信號(hào)電壓轉(zhuǎn)化，主控芯片獲取到開始采數(shù)信號(hào)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)采集并處理為統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)格式。該主控芯片通過電腦端供電，由于電腦USB或RS232的輸出電壓與主控芯片的供電電壓不一致，需要進(jìn)行電源模塊管理。

三、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換電路

前面介紹過，量具的高電平輸出信號(hào)為1.5V或者3V左右，而輸出信號(hào)需要被準(zhǔn)確識(shí)別，這是采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。而市面上常見的stm32單片機(jī)的工作電壓為2V~3.6V，其中標(biāo)記有ST的引腳可承受最高5.5V的電壓，而沒有ST標(biāo)記的則承受最高3.3V范圍的電壓。Stm32的引腳分為TTL和cMos，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)可以得知，其中TTL電平輸入腳的低電壓范圍為-0.5V~0.8V，TTL電平輸入腳的高電壓范圍為輸入2V~（VDD+0.5）V，而帶FT的輸入引腳高電壓范圍為2V~5V；而另外一種CMOS電平輸入腳的低電壓范圍為-0.5VDD~0.35VDD，CMOS電平輸入腳的高電壓范圍為0.65VDD~（VDD+0.5）V。由以上得知，當(dāng)VDD電壓范圍為3V時(shí)，無論是TTL輸入引腳還是CMOS引腳，高于2V被識(shí)別為高電平，低于0.8被識(shí)別為低電平，在此種情況下，1.5V的高電平輸出量具無論信號(hào)如何變化，均不被識(shí)別為高電平，因此需要對(duì)量具的輸出信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用電壓比較電路對(duì)量具的信號(hào)進(jìn)行鑒別和比較，從而輸出可被主控MCU芯片stm32識(shí)別的電壓信號(hào)。

四、電源模塊管理

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊的供電通過電腦端供電，常用的電腦接口端有USB和RS232，根據(jù)不同接口輸出的不同電壓轉(zhuǎn)化為主控IC的工作電壓范圍，從而實(shí)現(xiàn)電源模塊轉(zhuǎn)化管理。兩種不同的接口轉(zhuǎn)化思路一致，本文著重介紹最常用USB供電的電源轉(zhuǎn)換電路。根據(jù)前面介紹，該單片機(jī)工作電壓為3.3V左右時(shí)，能對(duì)量具信號(hào)進(jìn)行有效識(shí)別，而電腦USB輸出電壓為5V，為了實(shí)現(xiàn)主控電路3.3V供電，需要進(jìn)行降壓，而最常用的且外圍電路比較簡(jiǎn)單的有ASM1117，該芯片具有輸出電壓平穩(wěn)，波形相對(duì)比較平滑的特點(diǎn)，在單片機(jī)電路中有著廣泛應(yīng)用，其轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。

五、量具數(shù)據(jù)采集和處理

容柵傳感器，根據(jù)位置信息不同得到不同的電路信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過放大，解調(diào)，檢相及計(jì)數(shù)等功能，量具傳輸芯片根據(jù)不同位置輸出相應(yīng)的二進(jìn)制碼，主控芯片通過采集該二進(jìn)制編碼，并在內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)按照需求打包為電腦可識(shí)別的數(shù)據(jù)，從而在串口助手或上位機(jī)軟件上顯示并存儲(chǔ)。量具的傳輸信號(hào)通過電壓轉(zhuǎn)化電路后可被主控芯片MCU識(shí)別，主控芯片MCU直接按照相應(yīng)的傳輸協(xié)議進(jìn)行解析并按照一定傳輸速率以及特定的格式傳輸，國際上規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)波特率系列有110、300、600、1200、4800、9600等，MCU可根據(jù)需要按照一定的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一般波特率為9600，起始位1，數(shù)據(jù)位為8，結(jié)束位為1，奇偶校驗(yàn)無。數(shù)據(jù)格式如表1所示。但是主控芯片轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式后，計(jì)算機(jī)還不能識(shí)別，還需要專門的電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為不同接口識(shí)別的電平，計(jì)算機(jī)才能有效識(shí)別。比如RS232接口，遠(yuǎn)距離傳輸方式時(shí)，需要9根線進(jìn)行傳輸，而近距離傳輸，只需要3根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，RS232的邏輯1的電平為-3V~-15V，而邏輯0的電平為+3V~+15V，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，需要采用電平轉(zhuǎn)換橋接芯片Max232芯片，sp3232E等，來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而能進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別。連接圖見圖4。

六、上位機(jī)軟件功能介紹

計(jì)算機(jī)和量具之間的數(shù)據(jù)通信主要以串口通信傳輸，其中量具作為數(shù)據(jù)通信的發(fā)送方，一般稱之為信源，計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)通信的接收方，一般稱之為信宿。該數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單通道傳輸，也可實(shí)現(xiàn)多通道傳輸。在實(shí)現(xiàn)多通道傳輸時(shí)，為了使得不同的量具設(shè)備傳輸?shù)街付▍^(qū)域，在出廠時(shí)，給每個(gè)傳輸硬件系統(tǒng)唯一的編碼。并且將編碼打包至數(shù)據(jù)包中，上位機(jī)軟件首先對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，解析出兩個(gè)部分，一部分是設(shè)備編碼部分，另一部分為有效數(shù)據(jù)部分。通過設(shè)備編碼來確定該有效數(shù)據(jù)屬于何設(shè)備，并從上位機(jī)軟件客戶對(duì)不同編碼設(shè)備進(jìn)行區(qū)域設(shè)置，從而將該數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)區(qū)域。為了將設(shè)備的各個(gè)參數(shù)和設(shè)備建立關(guān)聯(lián)，將設(shè)備的對(duì)應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)建立結(jié)構(gòu)體，用于定義一個(gè)或若干個(gè)與其相關(guān)聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù)類型。VB的結(jié)構(gòu)體使用Type語句，比如定義一個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)體如下：TypeEquipelementIDAsInteger‘設(shè)備編碼IASstring‘設(shè)備輸入的起始坐標(biāo)JASstring‘設(shè)備輸入的結(jié)束坐標(biāo)….….EndSUBSubWriteNum（）Dimrecord1AsEquipment，record2AsEquipment….….n1=Record1.ID‘Record1.ID為通過程序和傳輸系統(tǒng)自定義的指令讀取的設(shè)備編碼n2=Record2.ID‘Record1.ID為通過程序和傳輸系統(tǒng)自定義的指令讀取的設(shè)備編碼…通過建立結(jié)構(gòu)體，將設(shè)備的不同數(shù)據(jù)類型的各個(gè)參數(shù)整合成一個(gè)有機(jī)整體，方便了參數(shù)傳遞，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)管理的便捷性，為代碼維護(hù)提供了便捷。

七、程序流程框圖

該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的程序部分主要有單片機(jī)程序和上位機(jī)程序，其中單片機(jī)負(fù)責(zé)將設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、運(yùn)算、處理、傳輸，上位機(jī)軟件獲取單片機(jī)的傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并將數(shù)據(jù)按照配置進(jìn)行數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)。其流程框圖如圖5、圖6所示。

八、總結(jié)

該系統(tǒng)將量具的二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換為電腦可識(shí)別的數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)軟件將數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行自動(dòng)判別，歸類。極大地方便了客戶對(duì)生產(chǎn)過程的測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、管理和保存，在生產(chǎn)制造測(cè)量過程中具有較好的實(shí)際應(yīng)用效果。

作者：謝兩可 王玉珍 單位：北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 北京市航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心