電子數顯卡之無線通信系統的研制

摘要：隨著無線通信技術的飛速發展，許多容柵測量系統中的數據傳輸方式逐步使用無線通信技術替代原來的有線數據通信技術。本文研制了一套基于容柵技術的電子數顯卡尺無線通信系統，該系統利用單片機技術對容柵位移傳感器的數據進行加工處理，并通過無線發送模塊將數據傳輸給電腦上位機軟件。該款無線通信芯片具有低功耗，頻帶2.4GHz，對應用于船舶、鐵路、航空航天等領域具有極大的便利，而且可以實現多組設備共同顯示到計算機上，提高了產品的性能和市場競爭力。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/271648.htm

關鍵詞：無線通信；容柵技術；數顯卡尺；低功耗

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.013

1 引言

隨著無線通信技術的飛速發展，現代測量越來越追求自動化、集群控制、無人值守、低功耗測量。傳統的測量設備大多采用有線方式，而一般的工業現場或野外測量由于設備繁雜、場地限制、布線成本高等原因，極大地限制了測量設備的使用。

近年來許多電子電氣系統中的數據傳輸逐步使用無線傳輸方式替代原來的有線傳輸方式，一些低功耗、抗干擾能力強的的通信標準及與之相對應的無線通信芯片的出現，使得工業現場的數據傳輸大量采用無線通信方式。目前，短距離無線通信以其特有的抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制少、安裝施工簡便靈活等特點，在許多領域都有著廣泛的應用。使用無線通信傳輸數據，不僅簡化了通訊難度和系統復雜度，還可以降低系統功耗及成本。

因此，本文提出了一種基于無線技術與容柵數字測量技術相結合的電子數顯卡尺數據采集系統，以增加傳統位移測量數據采集的靈活性和克服系統采用大量線纜所帶來的現場布線復雜和傳輸距離較近等弊端。

2 系統總體方案的設計

2.1 國內外無線產品介紹

國內市場上的主要競爭對手為桂林廣陸數字測控股份有限公司，其研制的無線通信模塊產品采用3V電池供電，無線通信采用2.4GHz頻段，可以切換連續采集模式（不間斷主動發送）和單次采集模式（采集鍵按下一次發送一次），傳輸距離為15米，如圖1所示。另外，國內市場上其它產品如德國馬爾、日本三豐、英式等產品的數顯卡尺的通信系統大都采用無線通信傳輸技術。

國外市場上如瑞士TESA公司具備60多年精密儀器制造經驗，是全球知名的精密計量設備制造商，擁有著5000多種的量具儀產品，廣泛使用在生產部門、計量室、長度標準傳遞部門，為工業檢測提供了強有力的配套能力。TESA公司利用無線傳輸技術設計的一種具有很高靈活性可以區分地址碼的量具，能夠承載120把精密量具，其傳輸距離可達到150米，當無法看到數據傳輸是否正確時，可以利用聲音/光學組合的信號形式，確認數據傳輸，并能夠保證數據沒有丟失，這種技術遠遠超過國內的技術水平。如圖2所示。

日本SONY公司正在開發這種基于無線傳輸技術方面的新產品，英國NEWALL公司也在著手研發此類產品，這種無線傳輸技術可以替代原有的有線技術，更加便捷地傳輸數據同時能夠保證數據傳輸的可靠性。就目前市場上很多應用場景都在使用無線通訊技術來傳輸數據，現在FANUC、SIEMEMS等多個國外廠家都在采用這種無線傳輸設備。

本文提出的這種基于容柵技術的電子數顯卡尺無線通信系統采用的是2.4GHz頻段，具有功耗低、傳輸距離遠等優點，最遠傳輸距離可達300米。它能夠實現多個端點共同傳輸，即一對多的傳輸，并能保證傳輸數據的可靠穩定，同時利用電腦上的上位機軟件對采集的數據進行分析，與傳統的通信系統相比在性能上有了質的提升，這種基于容柵位移傳感技術的電子數顯卡尺無線通信系統將在數顯量具市場行業上帶來較高的經濟效益和極大競爭力。

2.2 系統方案的設計

本文提出的電子數顯卡尺通信系統專用模塊是采用無線傳輸技術，解決了現有的有線數據傳輸模塊的局限性，即只能靠單一的有線傳輸、單端點傳輸，由于計算機數據接口有限，會導致現場設備布線復雜，通信系統傳輸距離短等弊端，數據存儲困難。而本文研制的無線數據傳輸模塊可以實現多個端點共同傳輸，即點對多的傳輸，最終傳輸數據可通過接收端傳送到電腦上，并可利用電腦上位機軟件對采集數據進行分析，與傳統的數顯量具系統相比在性能上有了質的提升。因此，這種基于無線技術的數顯量具方面具有較高的技術水平，本系統的總體結構框圖如圖3所示。

3 系統硬件電路設計

本文提出的這種基于容柵位移傳感技術的電子數顯卡尺無線通信系統廣泛應用于鐵路、精密機械、兵器、船舶等領域，是產品生產、安裝、維護和安全的質量保證。該系統對容柵傳感器的相對位置感應產生周期性數據位移信號，然后經無線采集模塊數據發送出去，經無線接收模塊傳遞給上位機。該系統總體結構主要包括包括：卡尺傳感器電路模塊、微控制器電路模塊、無線發送模塊、無線接收模塊、電腦上位機。如上圖3所示。

3.1 卡尺傳感器電路模塊

數顯卡尺的傳感器電路模塊采用最新開發的容柵智能傳感芯片，該容柵傳感芯片與微處理器芯片集成于一體，這樣便可對容柵位移傳感器產生的數據信號完成模數轉換功能，并將該模擬信號進行模數轉換，通過修改微控制器程序實現對數據位移量的處理。該數顯卡尺傳感器芯片的內部結構框圖如圖4所示。

從數顯卡尺傳感器芯片內部結構圖可以看出，芯片內部集成了模數轉換電路模塊、傳感器驅動信號模塊、微處理器控制模塊和LCD顯示電路模塊共四個模塊。其中模數轉換放大電路模塊主要控制容柵位移傳感器數據輸出并將信號進行放大處理，傳感器驅動電路模塊產生位移傳感器信號提供八路模擬信號供給微控制器，其信號的輸出幅度為1.5V的方波；微控制器控制電路模塊主要對數據進行處理、邏輯分析，通過外部供給精準的基準信號：LCD顯示電路部分借助微控制器模塊將數據信息顯示在液晶上。

3.2 微控制器控制電路模塊和LCD顯示模塊

數顯卡尺的微控制器控制電路模塊采用低價、低功耗的8位PIC單片機，該款單片機易于編程、易于操作，內部自帶EEPROM和RAM，工作環境溫度可以達到O℃～70℃。微控制器將傳感器采集來的數據控制顯示到LCD液晶顯示模塊上，另外，微控制器控制電路模塊控制著按鍵電路，通過設定不同的按鍵實現不同的功能切換，具有公英制轉換、開機/關機功能、清零功能，數顯卡尺無線發送實物圖如圖5所示。

3.3 無線收、發電路模塊

本系統研制的無線通信電路模塊采用TI公司生產的一款2.4Ghz的射頻芯片CC2430，這款芯片集成度高、尺寸小，具有適用于網點多、數據量小、傳輸可靠等特點，并且是一種低功耗、近距離傳輸的無線通信模塊，該款芯片靈敏度高、抗干擾性強、可編程輸出功率高達4.5dBm，芯片的封裝為QFN40，大小為6mm×6mm。其中內部結構框圖如圖6所示。

該款無線通信芯片具有功耗低、自嵌通訊協議，廣泛應用于智能家屆系統、環境監測系統等領域。內部集成了8051內核、高性能的射頻收發器、8K的RAM及FLASH，供電電壓為3V，它包括三種工作傳輸模式，分別為：luA的睡眠模式、0.2uA的呼喚模式、0.4uA的中斷模式，還有多通道的DMA控制器、MAC定時器、通用定時器及A/D轉換器，工作溫度在-40℃～125℃，這種高度集成化可以節約電流和消耗無線系統的開發成本，當無線模塊在發送數據和接收數據的情況下，電流損耗大約24uA和29uA，由休眠狀態轉化為主動狀態時間很短，這有助于增長數顯卡尺的電池使用壽命。

該系統的數顯卡尺供電電壓為1.5V，而無線通信模塊電路供電電壓是3V，這就需要系統在傳輸數據時對時鐘信號和數據信號進行調理、電平轉換，以保證傳輸的數據穩定可靠。該通信系統的數據信號S_DATA和時鐘信號S_CLK的電平轉換電路原理圖如圖7所示。

該無線通信系統比藍牙和WIFI的覆蓋距離面廣，其網絡擴展性更加靈活，硬件架構簡單，傳輸通信速率250Kbps，相對比較快，其擁有免費的開放頻帶，大約在868MHz至2.4GHz左右，網絡節點數可達65000個，聯網所需的時間僅為30ms，而且終端設備費用低、集成度高、可靠性強，成本低等特點。

4 系統的軟件設計

本文研制的電子數顯卡尺無線通信系統是利用無線傳輸技術替代了原有的短距離數據線通信技術，該無線通信系統目前發展較為快捷，將為社會帶來高效益、高品質的技術，因此這款基于容柵技術的電子數顯卡尺無線通信系統將會為企業和科研單位帶來極大的效益，本系統研制的無線通信模塊主要采用C語言編程技術，使用的開發環境為IAR。該無線通信系統主要包括兩部分：一部分是發送數據模塊、一部分是接收數據模塊，其中發送數據模塊將接入到數顯卡尺上而接收模塊將通過USB口插入到主機上，形成上位機與接收模塊完成通信。整個數顯卡尺無線通信系統的接收和發送過程的原理結構框圖如圖8所示。

無線通信技術應用到數顯卡尺上將有有很大的技術優點，一方面將會帶給客戶選擇性多樣，針對客戶不同的需求，方便不同產品選擇，現有的數據線傳輸，傳輸距離短，而無線通信可以實現遠距離傳輸：另一方面解決了原有傳輸數據的局限|生，在實際傳輸數據的過程中，由于計算機接口有限，除了數據傳輸受到限制外，傳輸數據量也將受到限制。通過這種無線接收模塊可以實現多個數顯卡尺設備與電腦同時進行數據傳輸，并能夠保證數據傳輸可靠，顯示在電腦的上位機界面上。無線通信模塊的程序流程框圖如圖9所示。

無線通信模塊地址配置成功后，無線發送模塊操作按鍵采集數據量值，將此數據發送至無線接收模塊。無線接收模塊模塊收到數據后將此數據解密后發送至電腦上位機軟件，同時發送反饋信號至無線發送模塊，確認收到數據，無線發送模塊收到反饋信號，反饋信號燈閃爍。基本通信幀如下圖10所示。

5 實驗結果

數顯卡尺的無線通信接收系統是通過電腦PC進行控制的，上位機軟件采用VC語言編寫，將無線接收模塊采集的傳感器數據通過USB接口發送到電腦的PC軟件上，上位機界面如圖12所示，其中無線數傳模塊的傳輸速率為115200，1位起始位，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗位，傳輸距離可以達到20-150米。無線接收模塊實物圖如圖11所示，上位機軟件界面如圖12所示。

數顯卡尺無線通信系統與電腦上位機軟件的通信界面如圖12所示，通過界面顯示內容可以看出數顯卡尺可以通過無線通信接收模塊在上位機界面上實現多通道顯示，實現一個主機四個從機，不僅實現更多數顯卡尺通信傳輸，還能保證數據能夠更加穩定可靠，同時保證操作人員記錄數據方便。本文提出的基于容柵技術的電子數顯卡尺無線通信系統的成功研制，將會提高在數顯量具行業市場的競爭力，同時提高單位的經濟效益，為今后研發相關無線通信傳輸技術的奠定堅實的基礎。