基于ADS1234的高精度數(shù)字化稱重系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

王雁彬，馬國強

(1.遼寧交通高等?？茖W校，遼寧 沈陽110122；2.東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽110004)

隨著工業(yè)過程控制以及自動化水平的不斷提高，特別是數(shù)字技術與信息技術的飛速發(fā)展，在稱重計量與控制系統(tǒng)領域，對衡器行業(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高精度數(shù)字化過程，即將被測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)換為電信號有多種方法，但最為常用的方法是采用一個配置為惠斯通電橋(Whetstonebridge)的阻性負載單元，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)的電路設計方法是在A/D轉(zhuǎn)換之前增加一級或多級高精度的放大器。這樣不但增加了系統(tǒng)的成本和電路復雜性，而且在檢測過程中也會出現(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、高精度測量，特別適合稱重領域的應用[1-2]。

1 ADS1234特性及其稱重應用

負載單元通常根據(jù)輸出電壓確定，該輸出電壓是在施加負載單元最大額定重量時為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)生的待測電壓信號非常小，而且電壓信號隨重量的變化量也非常小。如何對電阻橋接產(chǎn)生的信號進行低電壓、高精度測量，成為稱重系統(tǒng)設計中的核心問題。

ADS1234是一個精密的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為橋路傳感器的應用及稱重儀器提供了一個完全的前端解決方案，它具有非常低的噪聲，當PGA=128倍時，±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，對于50 Hz與60 Hz具有大于100 dB的抑制能力。

ADS1234在稱重領域的應用的優(yōu)點是：(1)具有完整的前端，不需要外置放大電路；(2)沒有外部時鐘的要求；(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)硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

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、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單片機為例進行說明。電源部分的主要功能是對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計。

2.2 硬件接口設計

硬件接口電路設計主要完成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摌O分別接ADS1234的AINP和AINN兩個管腳。DRDY/DOUT、SCLK和PDWN接MCU的三個I/O管腳。圖2所示為ADS1234接口電路原理圖。

2.3 系統(tǒng)抗干擾設計

在電子系統(tǒng)設計中，應充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設計完成后再去進行抗干擾的補救措施。本文的抗干擾設計主要從以下三個方面進行：

(1)抑制干擾源，減小干擾源的 du/dt、di/dt。這是抗干擾設計中最優(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)電容實現(xiàn)。

(2)切斷干擾傳播路徑。充分考慮電源對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)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件總體設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括系統(tǒng)初始化、MCU控制ADS1234以及串口通信設計。系統(tǒng)初始化保證系統(tǒng)能夠在預定模式和狀態(tài)下工作。控制ADS1234主要是設定內(nèi)部可編程增益放大倍數(shù)、選擇測量通道、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)啟動后就進行初始化，完成系統(tǒng)參數(shù)的設置。在單片機程序中完成晶振初始值設置、工作模式設置、開啟中斷、定時器等。系統(tǒng)進行初始化后，進入系統(tǒng)自檢。系統(tǒng)自檢主要完成顯示部分、存儲器以及其他功能部件的檢查工作。

在進行串口通信之前要對控制器的串口進行正確的配置，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，串口設置為方式1，串口的波特率設置為9 600 b/s。

3.3 ADS1234數(shù)據(jù)采集設計

圖4所示為ADS1234的工作時序圖。DRDY/DOUT引腳有兩個功能。首先，其變?yōu)榈碗娖綍r表明有數(shù)據(jù)準備就緒，然后在SCLK時鐘的第一個上升沿，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SCLK的上升沿輸出。當24位數(shù)據(jù)(第24個SCLK時鐘)都被獲取之后，將DRDY/DOUT引腳強制拉高，并持續(xù)為高，直到有新的數(shù)據(jù)準備就緒。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ADS1234進行偏置校正，是在獲得24位數(shù)據(jù)之后至少兩個額外的SCLK時鐘信號，即第26個SCLK時鐘下降沿時開始校正周期。完成校正后，DRDY/DOUT為低，表明新的數(shù)據(jù)準備就緒。偏置校正所需的時間t8（即26個SCLK之后的時間），當使用的晶振為典型值4.912 5 MHz時，SPEED=1時， 其 MIN值為 10.28 ms，MAX值為101.29 ms，±3%的浮動范圍?？梢钥吹剑渌ǖ臅r間較長，大大降低了整個系統(tǒng)的運行速度，故要在系統(tǒng)運行一段時間后進行一次校正。

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平整、清潔，無任何油膜、膠膜等存在；(3)盡量采用有自動定位作用的結(jié)構(gòu)配件，如球形軸承、關節(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，多個傳感器的安裝底座的安裝面要盡量調(diào)整到一個水平面上，以保證各傳感器所承受的負荷基本一致；(5)稱重傳感器周圍設置一些防護罩，以防止雜物污染傳感器和某些可動部分，保證稱量精度。

4.2 穩(wěn)壓電源設計

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

4.3 數(shù)字濾波設計

數(shù)字濾波器(Digital Filter)是由數(shù)字乘法器、加法器和延時單元組成的一種裝置，其功能是對輸入離散信號的數(shù)字代碼進行運算處理，以達到改變信號頻譜的目的。本文以軟件濾波為例，結(jié)合滑動平均濾波器來說明。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得值使用。取N個采樣值求平均，RAM中要開辟N個數(shù)據(jù)的暫存區(qū)。每采集一個數(shù)據(jù)都要存入暫存區(qū)，同時去掉一個最早的數(shù)據(jù)，保持這N個數(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 稱重實驗

本文采用加載機對實驗小車進行力學加載試驗。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）?；趯嶒灄l件的限制，試驗中電壓值精確到0.01 mV。表1所示為部分輸出電壓值。

當力小于3 kN時，電壓緩慢上升，說明應變變化很小，當力大于3 kN時，電壓呈線性上升，應變呈線性變化。接下來，對實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合。假設加載力為F（kN），輸出電壓為 V（mV），則可以推算出輸出電壓與重量的關系式為：

表1 加載實驗記錄表

通過驗證式（1），可以看到本實驗的精度在0.01 mV。

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

[1]楊巍，蔡建立.高精度采集稱重主控儀表的設計[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直接數(shù)字化技術研究[J].機電工程，2005,22(5):19-22.

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

[4]徐亮，阮江軍，甘艷，等.去耦電容在 PCB板設計中的應用[J].電測與儀表，2002,39(36):5-8.

[5]孫國銀.AD73360在電量測量系統(tǒng)中的應用[J].中國測試技術，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.