电子数显卡之无线通信系统的研制

2021-07-29 10:31:47 阅读:


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摘要:随着无线通信技术的飞速发展,许多容栅测量系统中的数据传输方式逐步使用无线通信技术替代原来的有线数据通信技术。本文研制了一套基于容栅技术的电子数显卡尺无线通信系统,该系统利用单片机技术对容栅位移传感器的数据进行加工处理,并通过无线发送模块将数据传输给电脑上位机软件。该款无线通信芯片具有低功耗,频带2.4GHz,对应用于船舶、铁路、航空航天等领域具有极大的便利,而且可以实现多组设备共同显示到计算机上,提高了产品的性能和市场竞争力。本文网络版地址:http://.cn/article/271648.htm

关键词:无线通信;容栅技术;数显卡尺;低功耗

DOI:10.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.013

1 引言

随着无线通信技术的飞速发展,现代测量越来越追求自动化、集群控制、无人值守、低功耗测量。传统的测量设备大多采用有线方式,而一般的工业现场或野外测量由于设备繁杂、场地限制、布线成本高等原因,极大地限制了测量设备的使用。

近年来许多电子电气系统中的数据传输逐步使用无线传输方式替代原来的有线传输方式,一些低功耗、抗干扰能力强的的通信标准及与之相对应的无线通信芯片的出现,使得工业现场的数据传输大量采用无线通信方式。目前,短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少、安装施工简便灵活等特点,在许多领域都有着广泛的应用。使用无线通信传输数据,不仅简化了通讯难度和系统复杂度,还可以降低系统功耗及成本。

因此,本文提出了一种基于无线技术与容栅数字测量技术相结合的电子数显卡尺数据采集系统,以增加传统位移测量数据采集的灵活性和克服系统采用大量线缆所带来的现场布线复杂和传输距离较近等弊端。

2 系统总体方案的设计

2.1 国内外无线产品介绍

国内市场上的主要竞争对手为桂林广陆数字测控股份有限公司,其研制的无线通信模块产品采用3V电池供电,无线通信采用2.4GHz频段,可以切换连续采集模式(不间断主动发送)和单次采集模式(采集键按下一次发送一次),传输距离为15米,如图1所示。另外,国内市场上其它产品如德国马尔、日本三丰、英式等产品的数显卡尺的通信系统大都采用无线通信传输技术。

国外市场上如瑞士TESA公司具备60多年精密仪器制造经验,是全球知名的精密计量设备制造商,拥有着5000多种的量具仪产品,广泛使用在生产部门、计量室、长度标准传递部门,为工业检测提供了强有力的配套能力。TESA公司利用无线传输技术设计的一种具有很高灵活性可以区分地址码的量具,能够承载120把精密量具,其传输距离可达到150米,当无法看到数据传输是否正确时,可以利用声音/光学组合的信号形式,确认数据传输,并能够保证数据没有丢失,这种技术远远超过国内的技术水平。如图2所示。

日本SONY公司正在开发这种基于无线传输技术方面的新产品,英国NEWALL公司也在着手研发此类产品,这种无线传输技术可以替代原有的有线技术,更加便捷地传输数据同时能够保证数据传输的可靠性。就目前市场上很多应用场景都在使用无线通讯技术来传输数据,现在FANUC、SIEMEMS等多个国外厂家都在采用这种无线传输设备。

本文提出的这种基于容栅技术的电子数显卡尺无线通信系统采用的是2.4GHz频段,具有功耗低、传输距离远等优点,最远传输距离可达300米。它能够实现多个端点共同传输,即一对多的传输,并能保证传输数据的可靠稳定,同时利用电脑上的上位机软件对采集的数据进行分析,与传统的通信系统相比在性能上有了质的提升,这种基于容栅位移传感技术的电子数显卡尺无线通信系统将在数显量具市场行业上带来较高的经济效益和极大竞争力。

2.2 系统方案的设计

本文提出的电子数显卡尺通信系统专用模块是采用无线传输技术,解决了现有的有线数据传输模块的局限性,即只能靠单一的有线传输、单端点传输,由于计算机数据接口有限,会导致现场设备布线复杂,通信系统传输距离短等弊端,数据存储困难。而本文研制的无线数据传输模块可以实现多个端点共同传输,即点对多的传输,最终传输数据可通过接收端传送到电脑上,并可利用电脑上位机软件对采集数据进行分析,与传统的数显量具系统相比在性能上有了质的提升。因此,这种基于无线技术的数显量具方面具有较高的技术水平,本系统的总体结构框图如图3所示。

3 系统硬件电路设计

本文提出的这种基于容栅位移传感技术的电子数显卡尺无线通信系统广泛应用于铁路、精密机械、兵器、船舶等领域,是产品生产、安装、维护和安全的质量保证。该系统对容栅传感器的相对位置感应产生周期性数据位移信号,然后经无线采集模块数据发送出去,经无线接收模块传递给上位机。该系统总体结构主要包括包括:卡尺传感器电路模块、微控制器电路模块、无线发送模块、无线接收模块、电脑上位机。如上图3所示。

3.1 卡尺传感器电路模块

数显卡尺的传感器电路模块采用最新开发的容栅智能传感芯片,该容栅传感芯片与微处理器芯片集成于一体,这样便可对容栅位移传感器产生的数据信号完成模数转换功能,并将该模拟信号进行模数转换,通过修改微控制器程序实现对数据位移量的处理。该数显卡尺传感器芯片的内部结构框图如图4所示。

从数显卡尺传感器芯片内部结构图可以看出,芯片内部集成了模数转换电路模块、传感器驱动信号模块、微处理器控制模块和LCD显示电路模块共四个模块。其中模数转换放大电路模块主要控制容栅位移传感器数据输出并将信号进行放大处理,传感器驱动电路模块产生位移传感器信号提供八路模拟信号供给微控制器,其信号的输出幅度为1.5V的方波;微控制器控制电路模块主要对数据进行处理、逻辑分析,通过外部供给精准的基准信号:LCD显示电路部分借助微控制器模块将数据信息显示在液晶上。

3.2 微控制器控制电路模块和LCD显示模块

数显卡尺的微控制器控制电路模块采用低价、低功耗的8位PIC单片机,该款单片机易于编程、易于操作,内部自带EEPROM和RAM,工作环境温度可以达到O℃~70℃。微控制器将传感器采集来的数据控制显示到LCD液晶显示模块上,另外,微控制器控制电路模块控制着按键电路,通过设定不同的按键实现不同的功能切换,具有公英制转换、开机/关机功能、清零功能,数显卡尺无线发送实物图如图5所示。

3.3 无线收、发电路模块

本系统研制的无线通信电路模块采用TI公司生产的一款2.4Ghz的射频芯片CC2430,这款芯片集成度高、尺寸小,具有适用于网点多、数据量小、传输可靠等特点,并且是一种低功耗、近距离传输的无线通信模块,该款芯片灵敏度高、抗干扰性强、可编程输出功率高达4.5dBm,芯片的封装为QFN40,大小为6mm×6mm。其中内部结构框图如图6所示。

该款无线通信芯片具有功耗低、自嵌通讯协议,广泛应用于智能家届系统、环境监测系统等领域。内部集成了8051内核、高性能的射频收发器、8K的RAM及FLASH,供电电压为3V,它包括三种工作传输模式,分别为:luA的睡眠模式、0.2uA的呼唤模式、0.4uA的中断模式,还有多通道的DMA控制器、MAC定时器、通用定时器及A/D转换器,工作温度在-40℃~125℃,这种高度集成化可以节约电流和消耗无线系统的开发成本,当无线模块在发送数据和接收数据的情况下,电流损耗大约24uA和29uA,由休眠状态转化为主动状态时间很短,这有助于增长数显卡尺的电池使用寿命。

该系统的数显卡尺供电电压为1.5V,而无线通信模块电路供电电压是3V,这就需要系统在传输数据时对时钟信号和数据信号进行调理、电平转换,以保证传输的数据稳定可靠。该通信系统的数据信号S_DATA和时钟信号S_CLK的电平转换电路原理图如图7所示。

该无线通信系统比蓝牙和WIFI的覆盖距离面广,其网络扩展性更加灵活,硬件架构简单,传输通信速率250Kbps,相对比较快,其拥有免费的开放频带,大约在868MHz至2.4GHz左右,网络节点数可达65000个,联网所需的时间仅为30ms,而且终端设备费用低、集成度高、可靠性强,成本低等特点。

4 系统的软件设计

本文研制的电子数显卡尺无线通信系统是利用无线传输技术替代了原有的短距离数据线通信技术,该无线通信系统目前发展较为快捷,将为社会带来高效益、高品质的技术,因此这款基于容栅技术的电子数显卡尺无线通信系统将会为企业和科研单位带来极大的效益,本系统研制的无线通信模块主要采用C语言编程技术,使用的开发环境为IAR。该无线通信系统主要包括两部分:一部分是发送数据模块、一部分是接收数据模块,其中发送数据模块将接入到数显卡尺上而接收模块将通过USB口插入到主机上,形成上位机与接收模块完成通信。整个数显卡尺无线通信系统的接收和发送过程的原理结构框图如图8所示。

无线通信技术应用到数显卡尺上将有有很大的技术优点,一方面将会带给客户选择性多样,针对客户不同的需求,方便不同产品选择,现有的数据线传输,传输距离短,而无线通信可以实现远距离传输:另一方面解决了原有传输数据的局限"生,在实际传输数据的过程中,由于计算机接口有限,除了数据传输受到限制外,传输数据量也将受到限制。通过这种无线接收模块可以实现多个数显卡尺设备与电脑同时进行数据传输,并能够保证数据传输可靠,显示在电脑的上位机界面上。无线通信模块的程序流程框图如图9所示。

无线通信模块地址配置成功后,无线发送模块操作按键采集数据量值,将此数据发送至无线接收模块。无线接收模块模块收到数据后将此数据解密后发送至电脑上位机软件,同时发送反馈信号至无线发送模块,确认收到数据,无线发送模块收到反馈信号,反馈信号灯闪烁。基本通信帧如下图10所示。

5 实验结果

数显卡尺的无线通信接收系统是通过电脑PC进行控制的,上位机软件采用VC语言编写,将无线接收模块采集的传感器数据通过USB接口发送到电脑的PC软件上,上位机界面如图12所示,其中无线数传模块的传输速率为115200,1位起始位,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验位,传输距离可以达到20-150米。无线接收模块实物图如图11所示,上位机软件界面如图12所示。

数显卡尺无线通信系统与电脑上位机软件的通信界面如图12所示,通过界面显示内容可以看出数显卡尺可以通过无线通信接收模块在上位机界面上实现多通道显示,实现一个主机四个从机,不仅实现更多数显卡尺通信传输,还能保证数据能够更加稳定可靠,同时保证操作人员记录数据方便。本文提出的基于容栅技术的电子数显卡尺无线通信系统的成功研制,将会提高在数显量具行业市场的竞争力,同时提高单位的经济效益,为今后研发相关无线通信传输技术的奠定坚实的基础。

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