范留彬，董秋杰，趙 昂，祝 捷

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471000)

歷經(jīng)發(fā)展稱重技術(shù)伴隨著科技的發(fā)展已經(jīng)從簡單粗糙的機械式稱重裝置發(fā)展到今天的高精度、自動化的電子衡器[1]。電子衡器是以壓力傳感器以及電子裝置構(gòu)成的系統(tǒng)[2]。稱重傳感器按照其原理可以分為電荷式、電阻式、電磁式等[3-4]。它們具有不同的適用范圍，其中應(yīng)變電阻式壓力傳感器可以實現(xiàn)對10-2～107N力的測量，能在惡劣環(huán)境、大加速度和震動條件下工作，具有線性度好，工作穩(wěn)定可靠，性價比高等特點。

目前，從世界范圍來看德國飛利浦公司生產(chǎn)的以PR6201應(yīng)變式壓力傳感器為核心的稱重系統(tǒng)是目前投入應(yīng)用的具有較高精度的電子稱重系統(tǒng)。其綜合精度為0.015%。日本ASAHI，英國Omega，瑞士METTLER TOLEBO，西班牙UTILCELL次之，綜合精度為0.02%。國內(nèi)廠家以上海石田，陵縣天龍為代表生產(chǎn)的稱重系統(tǒng)的最高綜合精度為0.03%。《2012-2016年中國稱重儀市場調(diào)研及投資戰(zhàn)略咨詢報告》[5]顯示，國內(nèi)稱重系統(tǒng)生產(chǎn)廠家每個公司的平均年進口費用高達數(shù)千萬元。由此可見，研制具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的電子稱重系統(tǒng)具有極大的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 電路設(shè)計

1.1 應(yīng)變電阻式壓力傳感器原理及噪聲水平分析

利用應(yīng)變原理可以設(shè)計出電阻式應(yīng)變片或應(yīng)變薄膜。應(yīng)變片或應(yīng)變薄膜可以感受測量物體受力時所產(chǎn)生的應(yīng)變，并將應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，通過電橋進一步轉(zhuǎn)換為電壓或者電流的變化。利用應(yīng)變式變換來實現(xiàn)測量的傳感器稱為應(yīng)變式傳感器。通常的應(yīng)變傳感器中已經(jīng)集成了惠斯通電橋電路[6-8]。傳感器的驅(qū)動方式可以選擇恒壓源驅(qū)動和恒流源驅(qū)動，兩者各有利弊。本文所研究的系統(tǒng)采取恒壓源驅(qū)動。

結(jié)合圖1可以對應(yīng)變電阻式壓力傳感器的恒壓驅(qū)動方式進行原理分析，得出驅(qū)動電壓噪聲對傳感器輸出信號噪聲的影響。圖中：Ui是驅(qū)動電壓，Δui是驅(qū)動電壓噪聲的峰值；Uo是電橋輸出的差分信號，Δuo是輸出信號噪聲的峰值。R是電阻式應(yīng)變片/應(yīng)變薄膜的固有電阻，Δr是由于傳感器受到壓力而引起的電阻變化量[9]。

圖1 應(yīng)變電阻式壓力傳感器恒壓驅(qū)動輸出噪聲分析原理圖

由簡單的電路分析可知：

在理想的電橋平衡狀態(tài)時輸出恒為零即Δuo≡0。

非平衡狀態(tài)時：Δuo=(Ui+Δui)Δr/R-Uo=ΔuiΔr/R

(1)

式(1)表明對于給定的固有電阻R，其輸出噪聲與應(yīng)變引起的電阻變化量呈正比，與電源紋波噪聲呈正比。與多數(shù)應(yīng)變壓力傳感器相同，本研究中所采用的H30A型壓力傳感器固有電阻阻值為350 Ω。將R=350 Ω帶入公式(1)中并以Δr為橫坐標，Δuo為縱坐標，對于不同的Δui可以得到如圖2所示的曲線族。

圖2 應(yīng)變電阻式壓力傳感器恒壓驅(qū)動輸出噪聲分析結(jié)果

由于隨著傳感器負載的增加，應(yīng)變電阻的變化量將增加。從圖2可以看出，隨著Δr的增加，電橋輸出信號的噪聲將對電源紋波噪聲越來越敏感。于是不難得出結(jié)論，電源的紋波是影響傳感器非線性誤差的原因之一。根據(jù)誤差傳遞理論，傳感器的綜合誤差ξa是傳感器的非線性誤差ξL、遲滯誤差ξH、和重復(fù)性ξr的均方根[10]。即：

(2)

高精度的恒壓驅(qū)動可以降低公式(2)中的非線性誤差ξL，從而提高系統(tǒng)的綜合精度。

1.2 高精度恒壓驅(qū)動電路

驅(qū)動電路恒壓源以參考電壓源芯片REF102與PNP晶體管開關(guān)2N2905為核心，與100 Ω限流電阻共同構(gòu)成10 V恒壓源，其中2N2905起到提高驅(qū)動電流的作用可以將輸出電流提高到200 mA。

為了評估驅(qū)動電路的性能，采用Siglent ADS1202CE型示波器對驅(qū)動電路紋波進行了測試。測試過程選擇第一通道，耦合方式為直流，為了更好地觀察紋波測試選擇了探頭×1，通道衰減×10將測試信號放大10倍，從測試結(jié)果可以看出恒壓源紋波小于0.05 mV。

1.3 放大器與信號采集

系統(tǒng)的放大與信號采集模塊以CS5534為核心，輔以簡單外圍電路構(gòu)成。CS5534是高集成度的Δ∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由于運用了電荷平衡技術(shù)，其性能可以達到24位。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器非常適合測量稱重儀表。

該模數(shù)轉(zhuǎn)換器有4通道可供選使用，用于同時采集叉車四點平衡傳感器的輸出信號。芯片內(nèi)部有一個極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器(6 nV/Hz @ 0.1 Hz )，其增益可選擇為1×、2×、4×、8×、16×、32×及64×，可以方便地通過指令控制稱重過程中的量程轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用LM4040提供4.096 V模數(shù)轉(zhuǎn)換參考電壓，在64×增益時理論上可以分辨3.8 nV的輸入電壓。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還有一個4階的Δ∑調(diào)制器，其后跟隨一個數(shù)字濾波器，它提供20種可供選擇的輸出字速率。為了方便與微處理器之間的通訊，其內(nèi)部還有一個與SPI和Micro wire 兼容的三線串行接口，在串行時鐘口(SCLK)有一個施密特觸發(fā)器。具有高動態(tài)范圍、可編程輸出字速率和靈活的電源配置選項等優(yōu)點。

該系統(tǒng)實際測試結(jié)果表明在64×增益時，輔以內(nèi)部數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)22位的AD轉(zhuǎn)換精度，即可以分辨16 nV的輸入電壓。放大器與信號采集的核心電路原理圖如圖3所示。

圖3 放大器與信號采集核心電路原理圖

1.4 微控制器

本文中所采用的微控制器是XS128_MAL系列16位微控制器，廣泛應(yīng)用與汽車儀表與工業(yè)控制領(lǐng)域。該微控制器具有40 MHz 的總線傳輸速度，有64 KB、128 KB和256 KB閃存選項，均帶有錯誤代碼糾錯功能(ECC)；帶有ECC的4 KB至8 KB Data Flash，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲，配置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)3 μs的轉(zhuǎn)換時間，支持控制區(qū)域網(wǎng)(CAN)、本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)和串行外設(shè)接口(SPI)協(xié)議，帶有16位計數(shù)器的、8通道定時器，出色的EMC/運行和停止電流性能。芯片豐富的IO端口以及16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換功能為稱重系統(tǒng)的功能擴展提供了堅實的硬件基礎(chǔ)。

1.5 無線通信

系統(tǒng)的無線通信模塊采用微功率無線通信技術(shù)，最大發(fā)射功率10mW，可以實現(xiàn)收、發(fā)模塊之間遠距離透明數(shù)據(jù)傳輸。通信模塊采用晶體穩(wěn)頻、內(nèi)置數(shù)字鎖相環(huán)，可靈活設(shè)置頻點；提供TTL電平和模擬RS-485/RS-232規(guī)格信號的UART接口。該模塊支持的UART通信速率從1 200bps到38 400 bps?？梢赃x擇射頻芯片使用高精度溫度補償晶振，模塊無線通信效果更好。通信模塊工作載頻頻率處于431 MHz ～ 436 MHz之間的開放ISM頻段，免許可證使用?？垢蓴_能力強，采用前向糾錯編碼，實際誤碼率低達10-5～10-6。傳輸距離遠，在視距情況下，天線放置位置高于2 m，可靠傳輸距離可達1000 m (BER=10-3/1 200 bps)，可靠傳輸距離大于700 m(BER=10-3/4 800 bps)，可靠傳輸距離大于500 m(BER=10-3/9 600 bps)。透明數(shù)據(jù)傳輸，自動過濾空中噪聲，數(shù)據(jù)處理、傳輸自動完成。

2 軟件設(shè)計

2.1 下位機程序設(shè)計

本文所研究的基于應(yīng)變電阻式壓力傳感器網(wǎng)絡(luò)化稱重系統(tǒng)下位機軟件設(shè)計如下。系統(tǒng)開啟后，對XS128微控制器自檢并初始化CS5534模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。初始化過程包括配置通過SCI協(xié)議分別配置CS5534模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的命令寄存器、增益寄存器、偏移寄存器、配置寄存器，分別實現(xiàn)選擇采樣通道和訪問其他寄存器、設(shè)置增益、自偏移校準、自增益校準以及訪問數(shù)據(jù)寄存器等功能。初始化完成后，對電源電壓采樣判定系統(tǒng)是否可以繼續(xù)工作。隨后，采集傳感器的輸出電壓并進行數(shù)字平滑濾波。最終轉(zhuǎn)換成壓力或重量值并顯示和發(fā)送至上位機。

為了節(jié)省系統(tǒng)資源，下位機采用外部觸發(fā)中斷響應(yīng)來自上位機的相關(guān)指令。這樣的設(shè)計保證了系統(tǒng)與上位機終端通信的快速響應(yīng)。當(dāng)下位機收到來自上位機終端的控制指令后，下位機進入中斷函數(shù)并對指令進行判斷和執(zhí)行相應(yīng)的響應(yīng)。這樣的設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)的文字信息收發(fā)功能，便于工業(yè)現(xiàn)場控制和管理。上位機可以通過指令直接向各個下位機“索要”稱量數(shù)據(jù)，并控制下位機進行數(shù)據(jù)備份。

在鍵盤的設(shè)計中同樣采用中斷觸發(fā)的方式，對鍵盤上的每個按鍵設(shè)置了唯一標識，用以識別用戶按鍵請求的意圖并使下位機實現(xiàn)相應(yīng)功能。系統(tǒng)集成了計算器，去皮，編號，備份，主動發(fā)送測量結(jié)果等功能，并為后期開發(fā)預(yù)留了足夠的軟件，硬件接口。

2.2 上位機終端

上位機終端是基于Lab View 圖形化編程開發(fā)的應(yīng)用程序。程序運行開始后，首先對串行端口初始化，選擇與計算機相連的串行通信接口。為了實現(xiàn)一對一，一對多，和多對多通信，終端主程序所收發(fā)的每一條指令都含有唯一的標識用以識別數(shù)據(jù)的來源和去向，程序中采用分時讀取來自不同下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并實時在窗口界面上顯示測量結(jié)果。上位機程序中集成了發(fā)送文字信息，數(shù)據(jù)存儲，顯示系統(tǒng)時間，備注，報表生成工具等基本功能。并設(shè)有其他接口用于功能的擴展。

2.3 結(jié)論

研究結(jié)果表明通過采取高精度恒壓驅(qū)動的方式可以有效提高應(yīng)變電阻式壓力傳感器的線性度，降低非線性誤差，從而提高系統(tǒng)的綜合精度；通過采取CS5534的片內(nèi)數(shù)字濾波技術(shù)可以有效地提高信號調(diào)理模塊的信噪比；采用片內(nèi)放大器為量程轉(zhuǎn)換提供了一種低成本的技術(shù)解決方案；采用基于SCI串口通信協(xié)議射頻通信技術(shù)可以實現(xiàn)一對一，一對多，多對多的網(wǎng)絡(luò)化信息管理，可以建立網(wǎng)絡(luò)化信息終端；最終試驗結(jié)果表明：基于應(yīng)變式壓力傳感器的高精度網(wǎng)絡(luò)化稱重系統(tǒng)綜合精度達到0.02%，量程為1 000 kg，處于國際領(lǐng)先水平。