前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的談數顯量具的數據傳輸系統設計，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：數顯量具以其便捷可靠的測量方式在工業現場有了廣泛的應用，而隨著工業自動化、數據化的進程加速，測量數據龐大，對于人工測量、人工記錄的方式使得測量效率較為低下，因此實現數據自動記錄，對測量數據進行統一收集、分析，能較大地提升測量效率，且能夠為后續數據處理加工奠定基礎，從而能夠實現自動生產以及質量控制。隨著近年電子技術以及通信技術的高速發展，量具行業現場數據采集有了較大范圍的應用，精確地數據采集和傳輸為工廠解決了手動計數的不便，保障了數據記錄的便捷性和實時性，更為工廠后續進行數據分析和處理提供了保障。那么如何將數據進行有效采集，并轉化為計算機識別的數據呢？
一、數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據接口的，有不帶數據接口的，為了采集數顯量具的輸出數據，數顯量具上必須帶有數據輸出接口，這是設計數顯傳輸系統的基礎。根據不同的量具的硬件形式和傳輸協議選擇相對應的傳輸接口，并通過單片機系統按照其傳輸協議進行解析，轉換為計算機識別的格式。
1-量具接口的物理形式差別
量具數據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量具出現的較多，現在基本上已經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，直至現在仍在使用。MiniUSB和MicroUSB現在很多廠家均在使用，它們在結構上有所不一樣，內部線束的數量也不一樣，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大多數時候為四芯線。
2-量具的傳輸信號介紹
以上為接口的硬件結構上的差別，實際上最終要轉換為單片機識別的格式，那么就需要按照一定的規律去傳輸，這些規律就是數顯量具的輸出格式，也稱為傳輸協議。不同的量具有不同的傳輸協議，量具數據傳輸分為主動發數和被動發數，主動發數是量具依據原先設定的協議規定定時向外傳輸信號；被動發數則是只有在滿足一定條件下才會向外傳輸信號，比如ready信號有效時，信號才會傳輸。
3-量具傳輸的信號為TTL電平
大多數量具的輸出信號為二進制數據，分為高低電平，其中高電平為1.5V或3V左右，此時對應數字信號1，而低電平為低于某電壓數值，在數字信號中為0。以某卡尺傳輸協議為例，沒有數據傳輸時，數據傳輸線的電平一直輸出高電平，也就是邏輯1，傳輸方向根據協議定義為低位在前的，依次傳輸。
二、傳輸系統整體電路框圖設計
整個數據傳輸采集系統設計的硬件電路框圖見圖1，首先對量具信號通過相應的電路進行信號電壓轉化，主控芯片獲取到開始采數信號后，進行數據信號采集并處理為統一的計算機格式。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，需要進行電源模塊管理。
三、數據傳輸系統的電平轉換電路
前面介紹過，量具的高電平輸出信號為1.5V或者3V左右，而輸出信號需要被準確識別，這是采集系統設計的基礎。而市面上常見的stm32單片機的工作電壓為2V~3.6V，其中標記有ST的引腳可承受最高5.5V的電壓，而沒有ST標記的則承受最高3.3V范圍的電壓。Stm32的引腳分為TTL和cMos，根據芯片數據手冊可以得知，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VDD電壓范圍為3V時，無論是TTL輸入引腳還是CMOS引腳，高于2V被識別為高電平，低于0.8被識別為低電平，在此種情況下，1.5V的高電平輸出量具無論信號如何變化，均不被識別為高電平，因此需要對量具的輸出信號進行電平轉換。本系統采用電壓比較電路對量具的信號進行鑒別和比較，從而輸出可被主控MCU芯片stm32識別的電壓信號。
四、電源模塊管理
該數據采集系統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，根據不同接口輸出的不同電壓轉化為主控IC的工作電壓范圍，從而實現電源模塊轉化管理。兩種不同的接口轉化思路一致，本文著重介紹最常用USB供電的電源轉換電路。根據前面介紹，該單片機工作電壓為3.3V左右時，能對量具信號進行有效識別，而電腦USB輸出電壓為5V，為了實現主控電路3.3V供電，需要進行降壓，而最常用的且外圍電路比較簡單的有ASM1117，該芯片具有輸出電壓平穩，波形相對比較平滑的特點，在單片機電路中有著廣泛應用，其轉換電路圖如圖3所示。
五、量具數據采集和處理
容柵傳感器，根據位置信息不同得到不同的電路信號，信號經過放大，解調，檢相及計數等功能，量具傳輸芯片根據不同位置輸出相應的二進制碼，主控芯片通過采集該二進制編碼，并在內部進行相應的數據處理，將數據按照需求打包為電腦可識別的數據，從而在串口助手或上位機軟件上顯示并存儲。量具的傳輸信號通過電壓轉化電路后可被主控芯片MCU識別，主控芯片MCU直接按照相應的傳輸協議進行解析并按照一定傳輸速率以及特定的格式傳輸，國際上規定的標準波特率系列有110、300、600、1200、4800、9600等，MCU可根據需要按照一定的波特率進行數據傳輸。一般波特率為9600，起始位1，數據位為8，結束位為1，奇偶校驗無。數據格式如表1所示。但是主控芯片轉換為統一格式后，計算機還不能識別，還需要專門的電平轉換芯片轉換為不同接口識別的電平，計算機才能有效識別。比如RS232接口，遠距離傳輸方式時，需要9根線進行傳輸，而近距離傳輸，只需要3根線進行數據傳輸，RS232的邏輯1的電平為-3V~-15V，而邏輯0的電平為+3V~+15V，為了實現信號轉換，需要采用電平轉換橋接芯片Max232芯片，sp3232E等，來進行電平轉換，從而能進行數據識別。連接圖見圖4。
六、上位機軟件功能介紹
計算機和量具之間的數據通信主要以串口通信傳輸，其中量具作為數據通信的發送方，一般稱之為信源，計算機作為數據通信的接收方，一般稱之為信宿。該數據測量系統可實現單通道傳輸，也可實現多通道傳輸。在實現多通道傳輸時，為了使得不同的量具設備傳輸到指定區域，在出廠時，給每個傳輸硬件系統唯一的編碼。并且將編碼打包至數據包中，上位機軟件首先對數據包進行解析，解析出兩個部分，一部分是設備編碼部分，另一部分為有效數據部分。通過設備編碼來確定該有效數據屬于何設備，并從上位機軟件客戶對不同編碼設備進行區域設置，從而將該數據傳輸至相應區域。為了將設備的各個參數和設備建立關聯，將設備的對應參數數據建立結構體，用于定義一個或若干個與其相關聯設備的數據類型。VB的結構體使用Type語句，比如定義一個設備的結構體如下：TypeEquipelementIDAsInteger‘設備編碼IASstring‘設備輸入的起始坐標JASstring‘設備輸入的結束坐標….….EndSUBSubWriteNum（）Dimrecord1AsEquipment，record2AsEquipment….….n1=Record1.ID‘Record1.ID為通過程序和傳輸系統自定義的指令讀取的設備編碼n2=Record2.ID‘Record1.ID為通過程序和傳輸系統自定義的指令讀取的設備編碼…通過建立結構體，將設備的不同數據類型的各個參數整合成一個有機整體，方便了參數傳遞，增強了數據管理的便捷性，為代碼維護提供了便捷。
七、程序流程框圖
該數據傳輸系統的程序部分主要有單片機程序和上位機程序，其中單片機負責將設備的數據進行采集、運算、處理、傳輸，上位機軟件獲取單片機的傳輸數據，進行數據解析，并將數據按照配置進行數據分類存儲。其流程框圖如圖5、圖6所示。
八、總結
該系統將量具的二進制數據輸出轉換為電腦可識別的數據，并通過上位機軟件將數據統一進行自動判別，歸類。極大地方便了客戶對生產過程的測量數據的采集、管理和保存，在生產制造測量過程中具有較好的實際應用效果。
作者：謝兩可 王玉珍 單位：北京航天試驗技術研究所 北京市航天動力試驗技術與裝備工程技術研究中心