無線數(shù)顯卡尺數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的研發(fā)

王玉珍，謝兩可

（1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2.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，北京 100074）

工業(yè)檢測領(lǐng)域隨著現(xiàn)場環(huán)境的逐漸復(fù)雜，測量設(shè)備越發(fā)繁雜，測量數(shù)據(jù)急劇增多，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與傳輸提出更高的要求。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通過線纜等連接數(shù)顯量具與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有線測量，在傳輸距離較遠(yuǎn)不易布線的測量場景下，該系統(tǒng)不能很好地滿足測量需求[1-2]。

目前短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟，其受現(xiàn)場地理環(huán)境限制少、擴(kuò)展性高的影響，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)[3-4]。國內(nèi)外各量具廠家也基于該技術(shù)開發(fā)相關(guān)的無線傳輸設(shè)備，使用無線形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸[5-6]。該無線傳輸系統(tǒng)通常采用數(shù)顯量具之外的無線發(fā)射器，與量具經(jīng)數(shù)據(jù)采集接口連接，但是此種連接方式操作較復(fù)雜、整體體積偏大、成本較高，并且其上位機(jī)軟件功能單一，不便于測量數(shù)據(jù)的定向顯示及分析。

基于上述原因及市場需求，本文提出對無線數(shù)顯卡尺數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。該系統(tǒng)主要包括無線數(shù)顯卡尺及上位機(jī)Excel定向輸入軟件的設(shè)計(jì)，其中數(shù)顯卡尺內(nèi)置無線傳輸功能，可直接進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的無線傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)軟件，整個(gè)系統(tǒng)具有低功耗、低成本、高可靠性等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文研發(fā)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)主要包括無線數(shù)顯卡尺和上位機(jī)Excel定向輸入軟件，其總體架構(gòu)框圖如圖1所示。無線數(shù)顯卡尺將測量數(shù)據(jù)以無線傳輸方式發(fā)送給無線接收器，無線接收器接收到數(shù)據(jù)后采用USB轉(zhuǎn)串口方式將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)Excel定向輸入軟件在Excel表格指定區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)顯示測量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一主多從的數(shù)據(jù)采集與傳輸，即可將多個(gè)無線數(shù)顯卡尺測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉ㄏ蜉斎胲浖?，方便多通道?shù)據(jù)有序地進(jìn)行在線集中分析及管理。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

2 無線數(shù)顯卡尺設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)無線數(shù)顯卡尺容柵測量轉(zhuǎn)換模塊與無線射頻模塊均設(shè)計(jì)在數(shù)顯卡尺結(jié)構(gòu)內(nèi)部。其卡尺硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 無線數(shù)顯卡尺硬件電路設(shè)計(jì)框圖

2.1 容柵測量轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)無線數(shù)顯卡尺容柵測量轉(zhuǎn)換模塊驅(qū)動(dòng)容柵傳感器進(jìn)行位移測量，并將傳感器信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏顯示位移值，同時(shí)將該信號(hào)傳送至無線射頻模塊。

2.2 無線射頻模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)無線數(shù)顯卡尺射頻模塊完成容柵測量轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)的采集和格式轉(zhuǎn)換后進(jìn)行無線發(fā)射，其硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，主要包括射頻芯片、電平轉(zhuǎn)換電路、EEPROM、RF天線電路等，其中Send按鍵用于發(fā)送數(shù)據(jù)，LED燈用來提示用戶數(shù)據(jù)是否成功發(fā)送。

圖3 無線射頻模塊硬件電路設(shè)計(jì)框圖

2.2.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)作為一種新型短距離無線通信技術(shù)，基于專門的無線電標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)行上千個(gè)傳感器互相協(xié)調(diào)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息無線傳輸，最終該數(shù)據(jù)信息可傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析或者被另一種無線技術(shù)所收集[7-8]。表1是ZigBee技術(shù)與另外兩種常用的無線通信技術(shù)Wi-Fi、Bluetooth的比較情況。

表1 三種短距離無線通信技術(shù)的比較

通過表1比較，上述三種無線技術(shù)均可工作于免授權(quán)的2.4 G ISM頻段，其中ZigBee在該頻段上有16個(gè)間隔5MHz的通道，且該技術(shù)相比之下成本低、功耗小、安全性較高、網(wǎng)絡(luò)容量最大、數(shù)據(jù)傳輸速率低，在智能測量領(lǐng)域、醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)得到了很好的應(yīng)用。

2.2.2 射頻芯片

本文采用TI公司的2.4 GHz射頻芯片進(jìn)行無線射頻模塊設(shè)計(jì)，該芯片工作電壓為2.0 V-3.6 V，具有標(biāo)準(zhǔn)的8051增強(qiáng)型CPU內(nèi)核，支持IEEE802.1 5.4標(biāo)準(zhǔn)和Zig－Bee應(yīng)用。其內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，主要集成32KB/64KB等多種容量閃存，8KB SRAM，21個(gè)GPIO端口，DMA控制器，A/D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)IEEE802.1 5.4MAC計(jì)時(shí)器及多個(gè)通用計(jì)時(shí)器，32-KHz睡眠定時(shí)器，2個(gè)USART接口，AES安全協(xié)處理器，高性能RF收發(fā)器等部分。該芯片擁有多種運(yùn)行模式，可實(shí)現(xiàn)低功耗工作，同時(shí)具有小體積、高接收靈敏度及抗干擾能力。

圖4 射頻芯片內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)框圖

2.2.3 電平轉(zhuǎn)換電路

本文無線數(shù)顯卡尺的容柵測量模塊輸出信號(hào)的電平為1.5 V，射頻模塊工作電壓為3.3 V，為了穩(wěn)定采集容柵輸出信號(hào)，需要對其進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換[9]。

本文射頻模塊電平轉(zhuǎn)換電路選擇推挽輸出微功耗比較器，該比較器兼容CMOS/TTL輸出，具有寬電源電壓范圍，能夠在低至1.6 V單電源供電下工作，可提供雙路電壓比較。本模塊電平轉(zhuǎn)換電路基本原理圖如圖5所示。容柵測量模塊輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)（R_DAT）、時(shí)鐘信號(hào)（R_CLK）分別接入比較器的正相輸入端，比較電壓（VIN-約1.1 V）接入比較器的反相輸入端。根據(jù)比較器工作原理比較VR_DAT、VR_CLK與VIN-，并將經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后的輸出信號(hào)DAT、CLK接入射頻芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖5 電平轉(zhuǎn)換電路基本原理圖

2.2.4 EEPROM

本文射頻模塊電路部分所選存儲(chǔ)器為EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器），主要用來存儲(chǔ)無線數(shù)顯卡尺ID號(hào)，掉電后ID號(hào)不丟失。該存儲(chǔ)器是一種利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備可擦除已有數(shù)據(jù)并重新編程的存儲(chǔ)芯片，其采用低功耗CMOS技術(shù)，可在較低電壓下正常運(yùn)行，具有2線串行接口、硬件寫保護(hù)、上百萬次的擦除/寫入周期、數(shù)據(jù)保留時(shí)間超過200年以及小體積封裝結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。

2.2.5 RF天線電路

本文射頻模塊的RF天線電路部分主要進(jìn)行無線電波的發(fā)射或接收，實(shí)現(xiàn)高頻電流與電磁能量的相互轉(zhuǎn)換。常用的RF天線有：陶瓷天線、PCB天線以及鞭狀天線，表2為上述不同類型天線的優(yōu)缺點(diǎn)對比情況。

表2 各類型天線優(yōu)缺點(diǎn)對比

通過表2對比，綜合考慮設(shè)計(jì)成本、結(jié)構(gòu)空間等因素，本電路選擇PCB天線。在天線電路設(shè)計(jì)時(shí)需注意巴倫、阻抗匹配；天線周圍空間不放置其他元器件且不敷銅；射頻走線線寬一致，要遠(yuǎn)離高頻信號(hào)線且周圍加地孔屏蔽等，最大限度發(fā)揮良好穩(wěn)定的射頻性能。

3 Excel定向輸入軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)Excel定向輸入軟件配合無線接收器，對接收到的測量數(shù)據(jù)按照軟件配置文件添加的配置信息（寫入?yún)^(qū)域及寫入方向）輸入到Excel表格中并進(jìn)行保存，該配置信息根據(jù)需求可修改或刪除，其配置信息如圖6所示。該軟件可接收多個(gè)通道設(shè)備的數(shù)據(jù)，而每個(gè)通道的設(shè)備可以添加多條配置信息，并且同一通道的配置信息可以通過“↑”或“↓”調(diào)整順序，從而設(shè)定該通道數(shù)據(jù)寫入不同指定區(qū)域的先后順序。另外，該軟件在系統(tǒng)測量過程中，可對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)取消、數(shù)據(jù)跳過、重新測量等操作。

圖6 定向輸入軟件配置信息

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)基于短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)對無線數(shù)顯卡尺以及Excel定向輸入軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不需要額外配外置無線發(fā)射器或數(shù)據(jù)傳輸線，通過配合無線接收器即可實(shí)現(xiàn)將多個(gè)無線數(shù)顯卡尺測量數(shù)據(jù)傳輸至Excel表格指定區(qū)域。該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡單，軟件界面設(shè)計(jì)簡潔、功能多樣，具有低成本，低功耗等特點(diǎn)，易組成小型局域網(wǎng)，便于數(shù)顯量具組網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)真正意義上的在線智能測量。