（福建省計量科學研究院，福州 350003）

基于國家重大科學儀器設備開發(fā)專項《高精度衡器載荷測量儀開發(fā)和應用》項目研制的需要，研制的衡器載荷測量儀是以多臺高準確度傳感器作為載荷測量標準，以高精度儀表采集的載荷值作為控制系統(tǒng)的反饋信號，采用高精密液壓機構，借助反力裝置，對電子汽車衡施加標準載荷，實現(xiàn)對電子汽車衡檢定。該系統(tǒng)中的測量儀表，作為測量反饋信號的部件，其準確度、穩(wěn)定性及不同通道間的同步性直接影響測量結果的準確性，從而影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及整套測量儀系統(tǒng)的準確度，因此，本文提出多通道高精度智能儀表的設計。

1 系統(tǒng)整體設計

多通道智能儀表整體設計框圖如圖1所示，系統(tǒng)以STC89C58RD+為主控CPU，由12通道同步數(shù)據(jù)采集模塊、二級放大電路模塊、A/D轉換模塊、SD卡存儲模塊、液晶顯示模塊、電源模塊以及PC上位機組成。

主控CPU采用新一代具有超強抗干擾、高速、低功耗的STC89C58RD+微控芯片。采集模塊采用同步采樣濾波技術，對12通道進行獨立同步采集，包含12路高速力值信號采集通道、12路溫度采集通道。A/D轉換模塊采用帶有自校正功能的16位A/D轉換器，包括由緩沖器和增益可編程放大器（PGA）組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、調(diào)制器以及可編程數(shù)字濾波器等。電源模塊采用經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓電路后進行差分供電（±5 V），克服電源零點漂移。液晶顯示模塊自帶觸摸屏功能，可進行數(shù)據(jù)儲存的選擇，即根據(jù)需要選擇儲存的數(shù)據(jù)，并通過SD卡存儲，方便以后的數(shù)據(jù)處理。此外，采集到的力值數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)通過RS232總線傳送給PC上位機，在上位機中進行數(shù)據(jù)顯示，并進行必要的軟件溫度補償。

2 關鍵技術

2.1 主控CPU選型

采用的STC89C58RD+微控芯片，是新一代具有超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，具有32 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。在單芯片上具有以下標準功能，32 KB Flash，1280 B RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置8 KB E2PROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)的51單片機5向量2級中斷結構），全雙工串行口。STC89C58RD+內(nèi)部結構如圖2所示。

2.2 前端采集電路及AD7705

前端采集放大電路和AD7705電路設計如圖3、圖4所示。采集的傳感器橋路電壓信號首先進入濾波電路去除干擾雜波后再進行精密放大，這里采用低功耗運算放大器TL081，TL081具有高轉換率、低輸入偏置和失調(diào)電流、低失調(diào)電壓溫度系數(shù)、偏移調(diào)整和外部補償選項等特點，而且其寬共模和差電壓范圍非常適用于A/D轉換器的驅動放大電路。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System structure

圖2 STC89C58RD+內(nèi)部結構Fig.2 Internal structure of STC89C58RD+

AD7705芯片是帶有自校正功能的16位A/D轉換器[1-2]，能直接將傳感器不同擺幅范圍內(nèi)的信號放大到接近A/D轉換器的滿標度電壓附近再進行A/D轉換，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統(tǒng)校準方式，此外還具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、校準、低功耗及優(yōu)良的抗噪聲性能[3]。它采用了成本較低但能獲得極高分辨率的Σ-Δ轉換技術，可獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，非常符合對分辨率要求較高但對轉換數(shù)字要求不高的應用。

圖3 運算放大電路Fig.3 Operational-amplified circuit

圖4 AD7705 A/D轉換電路Fig.4 AD7705 A/D switching circuit

2.3多通道同步采樣技術

由于高精度儀表基準參考電源需要高精度電源，但是一般電源很難做到而且價格相當昂貴，傳統(tǒng)的標準電池基準電源雖噪聲低、電動勢穩(wěn)定、制造方便、價格便宜，但因長期穩(wěn)定性差、有溫度特性的滯后效應，且不能滿載使用，只適用于短期穩(wěn)定性的精密電源中；溫度補償基準穩(wěn)壓管基準電源存在噪聲大、負荷能力弱、穩(wěn)定性差以及基準電壓較高、可調(diào)性較差等缺點；而對于集成電路固體基準電壓源，雖然在穩(wěn)定性、低噪聲等功能上有了較大的突破，但也難以滿足本項目高精度的需求。本文采用同步采集技術，將供橋電源和基準電源同步采集，這樣采集比值不會隨著電源波動而變化。使用同步技術使得采樣比值E不會隨著干擾源的變化而變化。

式中：E為采集比值；Vp為供橋電源電壓；VRef為基準電源電壓；α為供橋電源電壓波動系數(shù)；β為基準電源電壓波動系數(shù)。

同時在普通的多通道儀表中，采用輪詢方式對每一個通道按時間先后進行順序采集，而且隨著通道數(shù)增加，采集速度變慢，為了適應高精度控制以及多傳感器同步，本文采用每個通道單獨同步采集技術，不受通道數(shù)的影響，可以自由增加通道數(shù)，適合多傳感器同步采集控制設備。

2.4 模擬信號數(shù)字信號差壓技術

在高精度測量電路中，為了獲取高精度、高穩(wěn)定采集信號，模擬信號地和數(shù)字信號地要進行隔離。由于數(shù)字信號一般為矩形波，帶有大量的諧波。如果電路板中的數(shù)字地與模擬地沒有從接入點分開，數(shù)字信號中的諧波很容易干擾到模擬信號的波形。當模擬信號為高頻或強電信號時，也會影響數(shù)字電路的正常工作。模擬電路涉及弱小信號，但是數(shù)字電路門限電平較高，對電源的要求就比模擬電路低。既有數(shù)字電路又有模擬電路的系統(tǒng)中，數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會影響模擬電路，使模擬電路的小信號指標變差，克服的辦法是分開模擬地和數(shù)字地。該問題存在的最根本的原因是無法保證電路板上銅箔的電阻為零，在接入點將數(shù)字地和模擬地分開，就是為了將數(shù)字地和模擬地的共地電阻降到最小。

常用的做法是在模擬信號地和數(shù)字信號地之間串聯(lián)0 Ω電阻或串聯(lián)磁珠，具有比較好的高頻濾波特性，在高頻時呈現(xiàn)阻性，能在相當寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗，從而提高調(diào)頻濾波效果。但是高準確度的測量電路中，如一個測力傳感器的靈敏度為2.00000 mV/V，對儀表的分辨率要求為20萬分之一，就是0.01 μV，而一般數(shù)字信號高電平信號為3.3 V，高電平信號諧波峰峰值要遠大于1 mV，因此如果對于準確度等級為0.1%的系統(tǒng)里，這干擾信號表現(xiàn)不出來，但是在0.01%甚至0.001%或以上的高準確度系統(tǒng)中，這諧波的干擾就遠遠超出了允差上限值。本文采用在模擬地和數(shù)字地之間通過穩(wěn)壓電路建立一個精密穩(wěn)定的壓差，使得噪聲小于這個壓差值的干擾源都被過濾掉。

2.5 長線電感抑制技術

因在實際的衡器載荷測量儀檢定現(xiàn)場，載荷測量儀的標準傳感器的引線長度一般大于20 m，且傳感器的引線存在一定的電感和雜散電容。存在的電感和雜散電容對供電電源為交變（載波）電源的測量系統(tǒng)會產(chǎn)生電感效應而發(fā)生畸變，對供電電源為直流的測量系統(tǒng)由于電容存在而產(chǎn)生積分效應。本文采用差分電源供電方式取代傳統(tǒng)的交變載波技術改善以上供電方式的不足，并對測力傳感器采用六線制接法，將反饋信號（SEN+、SEN-）作為參考電源，同時在軟件設計中對信號進行數(shù)字一階濾波，采用該技術不僅具有共模干擾抑制作用，還消除了傳感器引線長短帶來的影響，同時還將電感效應產(chǎn)生的脈動噪聲有效過濾掉，保證儀表的穩(wěn)定性、可靠性。

3 生產(chǎn)工藝設計

為了達到高精度、高可靠性的指標要求，該儀表采用如下生產(chǎn)工藝：①采用四層線路板，全貼片設計，在上貼片機前對元器件進行高低溫交變老化篩查（-40℃～75℃）；②整個線路板全部采用三星SM321貼片機自動貼片生產(chǎn)，一次完成貼片，貼片后再一次采用歐姆龍光學檢測儀進行焊接光學檢測，杜絕虛焊；③進行初步電氣測試后進行48 h高溫老化試驗（75℃）；④老化篩選后進行電氣測試和電壓校準；⑤整機測試并校準。圖5為所研制的12通道高精度儀表。

4 試驗測試

圖5 12通道高精度儀表Fig.5 12-channels high precision intelligent instrument

選取2臺研制的12通道高精度智能儀表，型號為HIP-12，編號分別為01和02，采用德國HBM公司生產(chǎn)的橋路校準單元K148進行校準，選用2.0 mV/V的測量范圍，測量中采用0.00001 mV/V的分辨力，儀表選用±5 V的測量橋壓，選用絕對讀數(shù)mV/V。測試結果如圖6～圖9所示。

圖6 12通道儀表01校準結果Fig.6 Calibration result of NO.1 instrument

圖7 12通道儀表02校準結果Fig.7 Calibration result of NO.2 instrument

圖8 12通道儀表01長期穩(wěn)定性檢測結果Fig.8 Stability calibration result of NO.1 instrument

圖9 12通道儀表02長期穩(wěn)定性檢測結果Fig.9 Stability calibration result of NO.2 instrument

圖6、圖7分別為K148校準的12通道儀表01、02的校準結果，結果顯示2個儀表的12通道的示值誤差相對不確定度均優(yōu)于±0.004%；圖8、圖9分別為12通道儀表01、02間隔1 a的長期穩(wěn)定性檢測結果，結果顯示，該儀表的長期穩(wěn)定性優(yōu)于±0.004%，滿足項目對高準確性、高穩(wěn)定性儀表設計的需求。

5 結語

本文采用高精度同步采集技術、數(shù)字地和模擬地的差壓技術、長線電感抑制技術、多通道獨立同步采集技術、模塊化通道設計等技術，研制出12通道高精度智能儀表。通過試驗測試驗證，該儀表準確度高、穩(wěn)定性好，準確度和穩(wěn)定性均優(yōu)于±0.004%，滿足衡器載荷測量儀開發(fā)對高精度測量儀表的要求。研制的高精度儀表還可適用于各種應變式傳感器輸出信號的測量，并將廣泛應用于高精度測力傳感器的力值傳遞、生產(chǎn)檢測和驗證評估以及各種高精度檢測設備中。

[1]陳勇鋼.AD7705高精度數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)[J].國外電子測量技術，2006，25（1）：38-40.

[2]劉偉，張存善.基于PIC單片機和AD7705的高精度信號采集系統(tǒng)設計[J].電子工程設計，2011，19（2）：185-188

[3]楊博，張加宏，李敏，等.基于ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2015（2）：104-107.