李宏偉

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

糧食質量安全檢測是國家儲備糧管理工作的基礎，也是發(fā)展智慧儲糧的先決條件。在糧食進行入庫質檢時，雜質稱樣和水分測定對質檢稱的精確度有著很高的要求。稱重的精確度將直接影響質檢的準確性，間接影響糧儲部門對糧食安全的監(jiān)管和追溯[1]。目前，糧庫所使用的高精度質檢秤主要采用模擬電路設計，過多使用模擬電路會使得電路過于復雜。由于元器件的老化和溫漂特性，傳統(tǒng)電子質檢秤的精度往往得不到保證，需要定時校準。

模擬秤的設計大多采用惠斯登電橋、儀表放大器和高精度AD模數轉換器的方案，少數采用恒流源法或模擬鎖相放大器法，其中模擬鎖相放大器法精度最高，但是模擬鎖相放大器的電路結構復雜、成本高，也存在元件老化問題[2]。隨著現在越來越多的32位高性能、低成本處理器的出現，數字信號處理可以很好地應用于這些測量電路。MSP430系列的單片機功耗低且應用廣泛，于是提出了在MSP432單片機中設計數字鎖相放大器來制作電子秤的方案，從而實現用數字電路代替模擬電路[3]。這樣既可以預防模擬電路的時漂、溫漂問題，又可以減少儀器體積、節(jié)約成本。

1 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)的總體設計方案如圖1所示。系統(tǒng)主要包含MSP432單片機最小系統(tǒng)、SPWM驅動信號產生、惠斯登電橋和模擬前端信號采集4部分。其中，MSP432單片機通過內部的定時器產生SPWM信號，SPWM通過濾波器后可以產生正弦波驅動電橋，電橋由于物體重量改變產生的微弱信號通過模擬放大器后進入MSP432的AD采集端口，之后信號在單片機內部量化后全部進行數字鎖相處理，通過轉換最終得到物體的質量信息。

圖1 系統(tǒng)圖

1.1 硬件設計

系統(tǒng)設計時采用德州儀器公司的MSP432LAUNCPAD最小系統(tǒng)作為處理核心，硬件部分主要包含電橋及其放大電路、SPWM驅動信號合成電路和AD信號采集電路等。

1.2 主控MCU

考慮到系統(tǒng)設計時所需要的高精度、低功耗、低價等因素，系統(tǒng)設計時采用德州儀器公司的MSP432P401R單片機。MSP432P401R是最新推出的ARM?32位Cortex?-M4F內核的具有48 MHz主頻的低功耗單片機，內部集成有16位定時器、14位高精度AD轉換器等外設。此外，Ti公司還提供了高速的MSP_DSP庫供調用[4]。本系統(tǒng)采用德州儀器公司的LAUNCHPAD最小系統(tǒng)板作為主控。

1.3 SPWM合成電路

因為MSP432單片機輸出的是方波信號，所以要合成正弦波電橋驅動信號還需要額外設計模擬濾波電路和驅動緩沖電路。本設計中需要產生的正弦波頻率設定為5 000 Hz，所以在MSP432的PWM輸出口需要設計一個截止頻率為5 000 Hz的低通濾波器。設計采用一階的低通濾波，根據一階低通濾波的計算公式F=1/(2πRC)，本系統(tǒng)通過兩次濾波系統(tǒng)選取R1、C1、R2、C2的值。運算放大器選擇德州儀器的TLV2372。SPWM濾波電路如圖2所示。

圖2 SPWM濾波電路圖

1.4 電橋及放大電路

電子秤采用懸臂梁的測量方式，電橋采用通用的惠斯登半臂電橋。根據半臂橋的測量原理，電橋輸出電壓為：

其中，R2、R3為應變片電阻，R1、R4為精密電阻，ΔR為壓力引起的電阻變化，E為常數，U0為電壓輸出[5]。所以，這里放大部分采用兩級放大，根據測量的范圍和精度要求，第一級放大器設計為10倍放大，第二級3倍放大，總體放大30倍。電橋及其放大電路如圖3所示。

圖3 電橋及放大電路圖

1.5 AD采集電路部分設計

根據奈奎斯特采樣定律，MSP432單片機采樣的信號頻率是5 kHz，所以AD轉換器前的濾波器截至頻率應該為10 kHz。采樣濾波器的電路設計原理如圖4所示。

圖4 AD采集前端電路

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 數字鎖相放大器

鎖相放大器可以分為模擬鎖相放大器和數字鎖相放大器兩種。它們的理論基礎基本相同。正交數字鎖相放大器的原理如圖5所示[6-7]。

圖5 數字鎖相放大器原理圖

MSP432單片機AD采樣的信號為輸入信號，因為電橋上的差分輸出信號為正弦信號，所以設該信號為 S(t)=Asin(ωt+θ)+N(t)，其中正弦分量 Asin(ωt+θ)為壓力傳感器上的有用信號，N(t)為電路放大濾波過程中產生的噪聲信號。設計鎖相放大器的目的是有效放大有用信號和剔除噪聲信號。在數字鎖相放大器中產生與輸入信號同頻的參考信號R1(t)=Bsin(ωt)，將這個參考信號移相90°，可以得到另一正交的參考信號R2(t)=-Bcos(ωt)，進而得到這兩個正交的參考信號，將它們分別與輸入進行相乘得到兩個輸出U1(t)、U2(t)：

對U1(t)、U2(t)中的交流信號進行濾波處理，可以得到直流分量Vout1、Vout2：

將參考信號的幅度B設置為1，對U1(t)、U2(t)兩個正交信號分別取模、取反正切，可以得到被提取信號的幅值A和相位θ：

通過計算式（5）可以發(fā)現，鎖相放大器可以有效放大輸入信號的幅值和濾除噪聲分量N(t)[8-9]。

2.2 程序設計

目前，大多數數字鎖相放大器的數字信號處理都是在DSP或者FPGA等高端芯片中設計的，在MSP432、STM32等低速ARM核芯片內部運行數字鎖相放大算法的應用案例極少。程序的主要過程包括SPWM的產生、AD信號采集、數字乘法器以及參考信號的產生等。SPWM信號的產生采用MSP432內部的16位定時器，通過查表的方式產生。AD采集的頻率設定在5 000 Hz，對MSP432單片機要想實時處理數字鎖相的算法存在的一定困難。所以，在程序中通過乘法運算得到U1(t)、U2(t)信號后，需要對U1(t)、U2(t)分別進行兩次濾波處理。第一次濾波后，程序抽取第一次濾波后的信號，接著對抽取后的信號進行第二次濾波，這樣相對于一次性濾波可以大大減少濾波器的階數，從而降低對處理器主頻和存儲器的要求。程序中的大量FIR濾波過程可以通過德州儀器公司提供的MSP_DSP庫完成。這種設計可以大大降低程序的設計難度，程序的主要數字信號處理過程完成后可以得到幅值A，通過幅值A可以進一步計算物體的重量。整個程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

3 檢測結果分析

為了測試質檢秤的精度，實驗選取物理實驗中的高精度砝碼作為被測試件，測量范圍為0.00～500.00 g，每間隔50 g測量一個數據，重復實驗10次，取10次測量中各測試點最大誤差，每次測量保留數據小數點后的兩位，實驗所得結果如表1所示。

通過表1檢測的統(tǒng)計數據可以得知，系統(tǒng)在0.00～500.00 g的范圍內可以達到0.1 g的測量精度，整個系統(tǒng)精度相對較高，滿足設計要求。

表1 質量測量統(tǒng)計表

4 結 論

本文設計了基于MSP432的高精度質檢秤，采用數字鎖相放大器的微弱信號檢測手段，在系統(tǒng)設計過程中可以大大減少模擬鎖相放大器設計中的電路設計，系統(tǒng)電路簡潔，穩(wěn)定性高，檢測速度快，檢測精度高，為新型的高精度質檢秤設計提供了一種有用參考。系統(tǒng)設計中采用的濾波抽取法構成的數字鎖相放大器方法，也為數字鎖相放大器在低速32位單片機中實現提供了一種參考。未來可以拓展相應的存儲模塊，將高精度質檢數據實時存儲或上傳，有利于糧儲部門對糧食安全的監(jiān)管和追溯。