电子数显卡尺无线通信系统的研制

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^[10]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^[11]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^[12]，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0℃~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^[13]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^[14]，广泛应用于智能家居系统、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：1uA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^[15]，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性，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