前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的谈数显量具的数据传输系统设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：数显量具以其便捷可靠的测量方式在工业现场有了广泛的应用，而随着工业自动化、数据化的进程加速，测量数据庞大，对于人工测量、人工记录的方式使得测量效率较为低下，因此实现数据自动记录，对测量数据进行统一收集、分析，能较大地提升测量效率，且能够为后续数据处理加工奠定基础，从而能够实现自动生产以及质量控制。随着近年电子技术以及通信技术的高速发展，量具行业现场数据采集有了较大范围的应用，精确地数据采集和传输为工厂解决了手动计数的不便，保障了数据记录的便捷性和实时性，更为工厂后续进行数据分析和处理提供了保障。那么如何将数据进行有效采集，并转化为计算机识别的数据呢？
一、数显量具输出形式和输出格式介绍
目前市面上的量具有带数据接口的，有不带数据接口的，为了采集数显量具的输出数据，数显量具上必须带有数据输出接口，这是设计数显传输系统的基础。根据不同的量具的硬件形式和传输协议选择相对应的传输接口，并通过单片机系统按照其传输协议进行解析，转换为计算机识别的格式。
1-量具接口的物理形式差别
量具数据输出接口在硬件形式上分为四爪接口，五爪接口，MiniUSB，microUSB，TypeC接口等，其中四爪接口在早期的国产量具出现的较多，现在基本上已经不再使用该形式的接口；而五爪接口在日本三丰的量具上使用的较多，直至现在仍在使用。MiniUSB和MicroUSB现在很多厂家均在使用，它们在结构上有所不一样，内部线束的数量也不一样，MiniUSB为四芯线，而MicroUSB为五芯线，但量具上大多真正有用的只有四根线，所以MicroUSB大多数时候为四芯线。
2-量具的传输信号介绍
以上为接口的硬件结构上的差别，实际上最终要转换为单片机识别的格式，那么就需要按照一定的规律去传输，这些规律就是数显量具的输出格式，也称为传输协议。不同的量具有不同的传输协议，量具数据传输分为主动发数和被动发数，主动发数是量具依据原先设定的协议规定定时向外传输信号；被动发数则是只有在满足一定条件下才会向外传输信号，比如ready信号有效时，信号才会传输。
3-量具传输的信号为TTL电平
大多数量具的输出信号为二进制数据，分为高低电平，其中高电平为1.5V或3V左右，此时对应数字信号1，而低电平为低于某电压数值，在数字信号中为0。以某卡尺传输协议为例，没有数据传输时，数据传输线的电平一直输出高电平，也就是逻辑1，传输方向根据协议定义为低位在前的，依次传输。
二、传输系统整体电路框图设计
整个数据传输采集系统设计的硬件电路框图见图1，首先对量具信号通过相应的电路进行信号电压转化，主控芯片获取到开始采数信号后，进行数据信号采集并处理为统一的计算机格式。该主控芯片通过电脑端供电，由于电脑USB或RS232的输出电压与主控芯片的供电电压不一致，需要进行电源模块管理。
三、数据传输系统的电平转换电路
前面介绍过，量具的高电平输出信号为1.5V或者3V左右，而输出信号需要被准确识别，这是采集系统设计的基础。而市面上常见的stm32单片机的工作电压为2V~3.6V，其中标记有ST的引脚可承受最高5.5V的电压，而没有ST标记的则承受最高3.3V范围的电压。Stm32的引脚分为TTL和cMos，根据芯片数据手册可以得知，其中TTL电平输入脚的低电压范围为-0.5V~0.8V，TTL电平输入脚的高电压范围为输入2V~（VDD+0.5）V，而带FT的输入引脚高电压范围为2V~5V；而另外一种CMOS电平输入脚的低电压范围为-0.5VDD~0.35VDD，CMOS电平输入脚的高电压范围为0.65VDD~（VDD+0.5）V。由以上得知，当VDD电压范围为3V时，无论是TTL输入引脚还是CMOS引脚，高于2V被识别为高电平，低于0.8被识别为低电平，在此种情况下，1.5V的高电平输出量具无论信号如何变化，均不被识别为高电平，因此需要对量具的输出信号进行电平转换。本系统采用电压比较电路对量具的信号进行鉴别和比较，从而输出可被主控MCU芯片stm32识别的电压信号。
四、电源模块管理
该数据采集系统硬件模块的供电通过电脑端供电，常用的电脑接口端有USB和RS232，根据不同接口输出的不同电压转化为主控IC的工作电压范围，从而实现电源模块转化管理。两种不同的接口转化思路一致，本文着重介绍最常用USB供电的电源转换电路。根据前面介绍，该单片机工作电压为3.3V左右时，能对量具信号进行有效识别，而电脑USB输出电压为5V，为了实现主控电路3.3V供电，需要进行降压，而最常用的且外围电路比较简单的有ASM1117，该芯片具有输出电压平稳，波形相对比较平滑的特点，在单片机电路中有着广泛应用，其转换电路图如图3所示。
五、量具数据采集和处理
容栅传感器，根据位置信息不同得到不同的电路信号，信号经过放大，解调，检相及计数等功能，量具传输芯片根据不同位置输出相应的二进制码，主控芯片通过采集该二进制编码，并在内部进行相应的数据处理，将数据按照需求打包为电脑可识别的数据，从而在串口助手或上位机软件上显示并存储。量具的传输信号通过电压转化电路后可被主控芯片MCU识别，主控芯片MCU直接按照相应的传输协议进行解析并按照一定传输速率以及特定的格式传输，国际上规定的标准波特率系列有110、300、600、1200、4800、9600等，MCU可根据需要按照一定的波特率进行数据传输。一般波特率为9600，起始位1，数据位为8，结束位为1，奇偶校验无。数据格式如表1所示。但是主控芯片转换为统一格式后，计算机还不能识别，还需要专门的电平转换芯片转换为不同接口识别的电平，计算机才能有效识别。比如RS232接口，远距离传输方式时，需要9根线进行传输，而近距离传输，只需要3根线进行数据传输，RS232的逻辑1的电平为-3V~-15V，而逻辑0的电平为+3V~+15V，为了实现信号转换，需要采用电平转换桥接芯片Max232芯片，sp3232E等，来进行电平转换，从而能进行数据识别。连接图见图4。
六、上位机软件功能介绍
计算机和量具之间的数据通信主要以串口通信传输，其中量具作为数据通信的发送方，一般称之为信源，计算机作为数据通信的接收方，一般称之为信宿。该数据测量系统可实现单通道传输，也可实现多通道传输。在实现多通道传输时，为了使得不同的量具设备传输到指定区域，在出厂时，给每个传输硬件系统唯一的编码。并且将编码打包至数据包中，上位机软件首先对数据包进行解析，解析出两个部分，一部分是设备编码部分，另一部分为有效数据部分。通过设备编码来确定该有效数据属于何设备，并从上位机软件客户对不同编码设备进行区域设置，从而将该数据传输至相应区域。为了将设备的各个参数和设备建立关联，将设备的对应参数数据建立结构体，用于定义一个或若干个与其相关联设备的数据类型。VB的结构体使用Type语句，比如定义一个设备的结构体如下：TypeEquipelementIDAsInteger‘设备编码IASstring‘设备输入的起始坐标JASstring‘设备输入的结束坐标….….EndSUBSubWriteNum（）Dimrecord1AsEquipment，record2AsEquipment….….n1=Record1.ID‘Record1.ID为通过程序和传输系统自定义的指令读取的设备编码n2=Record2.ID‘Record1.ID为通过程序和传输系统自定义的指令读取的设备编码…通过建立结构体，将设备的不同数据类型的各个参数整合成一个有机整体，方便了参数传递，增强了数据管理的便捷性，为代码维护提供了便捷。
七、程序流程框图
该数据传输系统的程序部分主要有单片机程序和上位机程序，其中单片机负责将设备的数据进行采集、运算、处理、传输，上位机软件获取单片机的传输数据，进行数据解析，并将数据按照配置进行数据分类存储。其流程框图如图5、图6所示。
八、总结
该系统将量具的二进制数据输出转换为电脑可识别的数据，并通过上位机软件将数据统一进行自动判别，归类。极大地方便了客户对生产过程的测量数据的采集、管理和保存，在生产制造测量过程中具有较好的实际应用效果。
作者：谢两可 王玉珍 单位：北京航天试验技术研究所 北京市航天动力试验技术与装备工程技术研究中心