王雁彬，馬國強(qiáng)

(1.遼寧交通高等?？茖W(xué)校，遼寧 沈陽110122；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽110004)

隨著工業(yè)過程控制以及自動(dòng)化水平的不斷提高，特別是數(shù)字技術(shù)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，在稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)領(lǐng)域，對(duì)衡器行業(yè)提出了電子衡器數(shù)字化、智能化、用數(shù)字稱重系統(tǒng)突破模擬稱重系統(tǒng)的局限性等要求。各種類型電子秤的核心都是一個(gè)高精度數(shù)字化過程，即將被測(cè)量物體重量的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。盡管將重量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)有多種方法，但最為常用的方法是采用一個(gè)配置為惠斯通電橋(Whetstonebridge)的阻性負(fù)載單元，將采集到的惠斯通電橋輸出電壓值作為重量參數(shù)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法是在A/D轉(zhuǎn)換之前增加一級(jí)或多級(jí)高精度的放大器。這樣不但增加了系統(tǒng)的成本和電路復(fù)雜性，而且在檢測(cè)過程中也會(huì)出現(xiàn)工頻干擾和放大器漂移等問題，從而使采集到的數(shù)據(jù)精度降低。德州儀器(TI)推出的橋接傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1234，作為高度集成的Delta-Singma模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于低電平、高精度測(cè)量，特別適合稱重領(lǐng)域的應(yīng)用[1-2]。

1 ADS1234特性及其稱重應(yīng)用

負(fù)載單元通常根據(jù)輸出電壓確定，該輸出電壓是在施加負(fù)載單元最大額定重量時(shí)為1 V激發(fā)電壓產(chǎn)生的，規(guī)格以單位mV/V確定。由5 V電壓激發(fā)的4 mV/V負(fù)載單元所具有的滿量程輸出電壓僅為20 mV。所以，稱重傳感器中的電阻橋產(chǎn)生的待測(cè)電壓信號(hào)非常小，而且電壓信號(hào)隨重量的變化量也非常小。如何對(duì)電阻橋接產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行低電壓、高精度測(cè)量，成為稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心問題。

ADS1234是一個(gè)精密的24位AD轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部帶有低噪聲的可編程精密放大器、精密的Delta-Sigma AD轉(zhuǎn)換和內(nèi)置的振蕩器。ADS1234為橋路傳感器的應(yīng)用及稱重儀器提供了一個(gè)完全的前端解決方案，它具有非常低的噪聲，當(dāng)PGA=128倍時(shí)，±20 mV的輸入范圍內(nèi)均方根（rms）噪聲僅有 17 mV，采樣速率為 10 Hz～80 Hz，對(duì)于50 Hz與60 Hz具有大于100 dB的抑制能力。

ADS1234在稱重領(lǐng)域的應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)是：(1)具有完整的前端，不需要外置放大電路；(2)沒有外部時(shí)鐘的要求；(3)所有的功能由管腳來控制，沒有寄存器需要編程。

2 稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在本系統(tǒng)中MCU可選用單片機(jī)、ARM、DSP等芯片，只要內(nèi)存以及處理速度能夠滿足系統(tǒng)的要求即可，本文以STC89252RC單片機(jī)為例進(jìn)行說明。電源部分的主要功能是對(duì)MCU和ADS1234供電，規(guī)定需要5 V和3 V的穩(wěn)定電源。除此之外，還有通信接口、顯示系統(tǒng)以及鍵盤等部分的設(shè)計(jì)。

2.2 硬件接口設(shè)計(jì)

硬件接口電路設(shè)計(jì)主要完成ADS1234外圍電路以及與MCU之間的接口電路?；菟雇姌虻妮敵鲭妷赫?fù)極分別接ADS1234的AINP和AINN兩個(gè)管腳。DRDY/DOUT、SCLK和PDWN接MCU的三個(gè)I/O管腳。圖2所示為ADS1234接口電路原理圖。

2.3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。本文的抗干擾設(shè)計(jì)主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行：

(1)抑制干擾源，減小干擾源的 du/dt、di/dt。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)。

(2)切斷干擾傳播路徑。充分考慮電源對(duì)MCU的影響，要給MCU電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)MCU的干擾。此外，還要合理布線，分開模擬地和數(shù)字地。

(3)提高敏感器件的抗干擾性能。減少回路環(huán)的面積，電源線和地線盡量粗，閑置的I/O口不懸空[3-4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、MCU控制ADS1234以及串口通信設(shè)計(jì)。系統(tǒng)初始化保證系統(tǒng)能夠在預(yù)定模式和狀態(tài)下工作?？刂艫DS1234主要是設(shè)定內(nèi)部可編程增益放大倍數(shù)、選擇測(cè)量通道、采樣速率以及控制轉(zhuǎn)換器等。串口通信部分主要是制定通信協(xié)議，包括傳輸速率和數(shù)據(jù)格式等。圖3是系統(tǒng)軟件流程圖。

3.2 系統(tǒng)初始化以及串口配置

在系統(tǒng)啟動(dòng)后就進(jìn)行初始化，完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。在單片機(jī)程序中完成晶振初始值設(shè)置、工作模式設(shè)置、開啟中斷、定時(shí)器等。系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，進(jìn)入系統(tǒng)自檢。系統(tǒng)自檢主要完成顯示部分、存儲(chǔ)器以及其他功能部件的檢查工作。

在進(jìn)行串口通信之前要對(duì)控制器的串口進(jìn)行正確的配置，包括串口的工作方式、波特率等。本文主處理器采用STC89C52RC單片機(jī)，串口設(shè)置為方式1，串口的波特率設(shè)置為9 600 b/s。

3.3 ADS1234數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

圖4所示為ADS1234的工作時(shí)序圖。DRDY/DOUT引腳有兩個(gè)功能。首先，其變?yōu)榈碗娖綍r(shí)表明有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，然后在SCLK時(shí)鐘的第一個(gè)上升沿，該引腳改變其功能，開始輸出轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，最高有效位（MSB）優(yōu)先。數(shù)據(jù)在每個(gè)SCLK的上升沿輸出。當(dāng)24位數(shù)據(jù)(第24個(gè)SCLK時(shí)鐘)都被獲取之后，將DRDY/DOUT引腳強(qiáng)制拉高，并持續(xù)為高，直到有新的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。正是由于DRDY/DOUT引腳的這種特性，在本文中采用了中斷的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

以下為ADS1234A/D轉(zhuǎn)換核心源代碼：

3.4 系統(tǒng)校正

對(duì)ADS1234進(jìn)行偏置校正，是在獲得24位數(shù)據(jù)之后至少兩個(gè)額外的SCLK時(shí)鐘信號(hào)，即第26個(gè)SCLK時(shí)鐘下降沿時(shí)開始校正周期。完成校正后，DRDY/DOUT為低，表明新的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。偏置校正所需的時(shí)間t8（即26個(gè)SCLK之后的時(shí)間），當(dāng)使用的晶振為典型值4.912 5 MHz時(shí)，SPEED=1時(shí)， 其 MIN值為 10.28 ms，MAX值為101.29 ms，±3%的浮動(dòng)范圍?？梢钥吹?，其所花的時(shí)間較長(zhǎng)，大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，故要在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后進(jìn)行一次校正。

4 提高稱重精度的輔助措施

4.1 傳感器安裝技巧

傳感器是整個(gè)稱重系統(tǒng)的核心部件之一，要獲得可靠的數(shù)據(jù)源就要選擇合理的安裝方式。具體包括：(1)傳感器的加載方向與車輛的受載方向相一致，避免橫向力、附加的彎矩、扭矩力；(2)安裝傳感器的底座安裝面應(yīng)平整、清潔，無任何油膜、膠膜等存在；(3)盡量采用有自動(dòng)定位作用的結(jié)構(gòu)配件，如球形軸承、關(guān)節(jié)軸承、定位緊固器等，防止某些橫向力作用在傳感器上；(4)每只傳感器安裝底座的安裝平面要求水平，多個(gè)傳感器的安裝底座的安裝面要盡量調(diào)整到一個(gè)水平面上，以保證各傳感器所承受的負(fù)荷基本一致；(5)稱重傳感器周圍設(shè)置一些防護(hù)罩，以防止雜物污染傳感器和某些可動(dòng)部分，保證稱量精度。

4.2 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

在本文中采用LM2576集成芯片進(jìn)行電源穩(wěn)壓設(shè)計(jì)。LM2576系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供壓降開關(guān)穩(wěn)壓器（buck）的各種功能，能驅(qū)動(dòng)3 A的負(fù)載，具有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補(bǔ)償器和一個(gè)固定頻率振蕩器，將外部元件的數(shù)目減少到最少，使用簡(jiǎn)便。

4.3 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波器(Digital Filter)是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種裝置，其功能是對(duì)輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。本文以軟件濾波為例，結(jié)合滑動(dòng)平均濾波器來說明。其濾波算法是采樣一次后，將這一次采樣值和過去的若干次采樣值一起求平均，得到的有效采樣值作為本次測(cè)得值使用。取N個(gè)采樣值求平均，RAM中要開辟N個(gè)數(shù)據(jù)的暫存區(qū)。每采集一個(gè)數(shù)據(jù)都要存入暫存區(qū)，同時(shí)去掉一個(gè)最早的數(shù)據(jù)，保持這N個(gè)數(shù)據(jù)始終是最近的數(shù)據(jù)[5-6]。

部分核心源代碼如下：

5 稱重實(shí)驗(yàn)

本文采用加載機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)小車進(jìn)行力學(xué)加載試驗(yàn)。載荷從零開始，每次增加500 N，加載至 20 kN（此力接近于汽車超載重量）?；趯?shí)驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)中電壓值精確到0.01 mV。表1所示為部分輸出電壓值。

當(dāng)力小于3 kN時(shí)，電壓緩慢上升，說明應(yīng)變變化很小，當(dāng)力大于3 kN時(shí)，電壓呈線性上升，應(yīng)變呈線性變化。接下來，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。假設(shè)加載力為F（kN），輸出電壓為 V（mV），則可以推算出輸出電壓與重量的關(guān)系式為：

表1 加載實(shí)驗(yàn)記錄表

通過驗(yàn)證式（1），可以看到本實(shí)驗(yàn)的精度在0.01 mV。

本文所設(shè)計(jì)的一種基于ADS1234稱重系統(tǒng)，具有數(shù)字化、高精度等優(yōu)點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)外圍電路簡(jiǎn)單，易于在稱重領(lǐng)域中推廣。結(jié)合本文所述的數(shù)字濾波等技術(shù)，本系統(tǒng)也具有工作狀態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)定時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

[1]楊巍，蔡建立.高精度采集稱重主控儀表的設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2009,25(11):135-136.

[2]蘇堡瑩，金偉，曹建偉，等.高精度力傳感器信號(hào)直接數(shù)字化技術(shù)研究[J].機(jī)電工程，2005,22(5):19-22.

[3]王幸之，王雷，鐘愛琴，等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電磁干擾與抗干擾技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]徐亮，阮江軍，甘艷，等.去耦電容在 PCB板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2002,39(36):5-8.

[5]孫國銀.AD73360在電量測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國測(cè)試技術(shù)，2007,33(2):70-73.

[6]KWAN H K.Improved systolic allpass digital filters for very high-speed applications[J].Electron.Lett.28,2061(1992);doi:10.1049/el:19921321.

[7]GOODALL R,JONES S,CUMPLIDO R.Digital filtering for high performance real-time control.IEE Colloquium on Digital Filters:An Enabling Technology(1998/252).London,UK,20 April 1998.