（电路与系统专业论文）高精度数字式智能称重传感器.pdf

_ ， 、毫 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：料日期：脚 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：到土汕啦导师签名： 一 山东大学硕士学位论文 i ! 鼻墨置置量量墨量置置暑量皇皇! 曼e 墨墨置量墨量置詈詈置量鼍詈量置墨墨詈量墨墨量置量量鼍皇基皇量_ 一 目录 摘| 荽。1 a b s t r a c t 2 第一章绪论3 1 1称重传感器概述。3 1 1 1 称重传感器测量原理3 1 1 2称重传感器的发展趋势。8 1 2论文的目的、内容和目标8 1 - 3 课题研究的意义9 第二章背景技术介绍1 0 2 1高精度信号处理基础知识1 0 2 1 1噪声、寄生热偶对微弱模拟信号的影响1 0 2 1 2常用数字滤波技术13 2 2抗干扰设计基础知识17 2 2 1干扰的耦合方式。18 2 2 2常用硬件抗干扰技术l9 第三章高精度数字式智能称重传感器的结构及原理2 2 3 1传统称重传感器存在的问题2 2 3 2 高精度数字式智能称重传感器的系统结构2 3 3 3高精度数字式智能称重传感器方案2 4 3 3 1方案比较2 7 3 4 高精度数字式智能称重传感器设计2 9 3 4 1全差分信号调理电路2 9 i 山东大学硕士学位论文 3 4 2交流激励的优势3 2 3 5比率测量技术原理的应用3 4 3 5 1传统测量方法存在的问题3 4 3 5 2比率测量的理论分析3 5 3 5 3比率测量的优势3 7 3 6本章小结3 7 第四章高精度数字式智能称重传感器硬件电路设计3 8 4 1高精度数字式智能称重传感器系统的硬件设计3 8 4 2核心电路设计3 9 4 2 1 a r m 7 核m c u 3 9 4 2 2复位电路设计3 9 4 2 3时钟电路4 0 4 3模拟部分电路设计4 l 4 3 1全差分信号调理电路4 1 4 3 2 一快速a d 电路4 2 4 3 3模拟电源电路4 2 4 4数字部分电路设计4 3 4 4 1 4 8 5 接口电路4 3 4 4 2e e p r o m 存储电路4 4 4 4 3数字电源电路。4 4 4 5硬件抗干扰技术4 5 4 5 1微处理器抗干扰设计4 5 4 5 2印刷电路板的布线原则4 6 4 5 3配置去耦电容4 6 i i 山东大学硕士学位论文 4 6系统硬件测试。4 7 4 7本章小结。4 7 第五章高精度数字式智能称重传感器软件算法设计4 8 5 1软件系统目标。4 8 5 1 1通信协议4 8 5 2软件系统结构4 9 5 3系统启动代码设计5 0 5 4系统优化算法设计51 5 4 1线性调整算法设计5 l 5 4 2温度补偿算法设计5 4 5 5串口通信程序5 5 5 6软件抗干扰设计5 8 5 6 1数字滤波技术。5 8 5 6 2软件陷阱5 8 5 7本章小结5 9 第六章高精度数字式智能称重传感器输数字滤波器算法研究6 0 6 1数字滤波器算法选择6 0 6 1 1窗口移动数据平均滤波6 0 6 1 2 i i r 数字滤波器实现6 2 6 2i i r 数字滤波器的优化设计。6 4 6 2 1传统数字滤波器存在的问题“ 6 2 2优化的i i r 数字滤波器设计6 6 6 3数字滤波器滤波效果6 8 6 4本章小结7 0 山东大学硕士学位论文 第七章总结展望7 1 7 1总结7 1 7 1 2下一步工作7 2 参考文献7 4 致谢7 9 攻读硕士学位期问发表的学术论文和参与的工程项目8 0 i v c o n t e n t s c h i i l e s ea b s t r a c t 1 e n g l i s ha b s t r a c t 2 c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 3 1 1 o v e r v i e wo fl o a dc e l l 3 1 1 1 m e a s u r i n gp r i n c i p l eo fl o a d c e l l 3 1 1 2 t r e n do fl o a dc e l l sd e v e l o p m e n t 8 1 2 p a p e ra i m s ，c o n t e n t a n do b j e c t i v e s 8 1 3 s i g n i f i c a n c 圮o fr e s e a r c h 9 c h a p t e r2i n t r o d u c t i o no fb a c k g r o u n dt e c h n o l o g y l 0 2 1b a s i ck n o w l e d g eo fh i g h p r e c i s i o ns i g n a lp r o c e s s i n g - l 0 2 1 1e f f e c t i o n so fn o i s ea n dp a r a s i t i ct h e r m o c o u p l e 1 0 2 1 2 c o m m o n l yu s e dd i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n i q u e s ”1 3 2 2b a s i c so fa n t i - j a m m i n gd e s i g n 17 2 2 1i n t e r f e r e n c ec o u p l i n g 1 8 2 2 2 c o m m o n l yu s e da n t i - j a m m i n gt e c h n i q u e so f h a r d w a r e 一1 9 c h a p t e r3 s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fh i g h - p r e c i s i o ns m a r tl o a dc e l l 2 2 3 1p m b l e r n so f t r a d i t i o n a ll o a dc e l l s 2 2 3 2 s y s t e ms t r u c t u r eo fh i g h p r e c i s i o ns m a r tl o a d c e l l “2 3 3 3 p r o g r a m so fh i g h p r e c i s i o ns m a r tl o a dc e l l ”2 4 3 3 1 p r o g r a mc o m p a r i s o n 2 7 3 4 d e s i g no fh i g h p r e c i s i o ns m a r tl o a d c e l l 2 9 3 4 1 f u l l yd i f f e r e n t i a ls i 鲫i a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 2 9 3 4 2 a d v a n t a g eo f a c e x c i t a t i o n 3 2 v 山东大学硕士学位论文 1 3 5 a p p l i c a t i o no fr a t i om e a s u r e m e mt e c h n o l o g y 3 4 3 5 1p r o b l e m so f t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d s 3 4 3 5 2t h e o r e t i c a la n a l y s i so fr a t em e a s u r e m e n t 3 5 3 5 3 a d v a n t a g eo fr a t em e a s u r e m e n t 3 7 3 6 s u t m n m yo fc h a p t e r3 3 7 c h a p t e r4h a r d w a r ed e s i g no fh i g h p r e c i s i o ns m a r tl o a dc e l l 3 8 4 1 4 2 h a r d w a r ed e s i g no fh i g h - p r e c i s i o ns m a r tl 0 a dc e l ls y s t e m 3 8 d e s i g no f c o r ec i r c u i t 3 9 4 2 1m c uo fa i u 订7 3 9 4 2 2r e s e tc i r c u i t 3 9 4 2 3c l o c kc i r c u i t 4 0 4 3 d e s i g no f a n a l o gc i r c u i t 4 1 4 3 1 f u l l yd i f f e r e n t i a ls i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 4 1 4 3 2一a dc i r c u i t 4 2 4 3 3 a n a l o gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 4 2 4 4 d e s i g no fd i g i t a lc i r c u i t 4 3 4 4 14 8 5c i r c u i t 4 3 4 4 2e e p r o mm e m o r yc i r c u i t 4 4 4 4 3 d i g i t a lp o w e rs u p p l yc i r c u i t 4 4 4 5h a r d w a r ea n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y 4 5 4 6 4 7 4 5 1 a n t i - j a m m i n gd e s i g no fm i e r o p r o c e s s o r s 4 5 4 5 2t h ew i r i n gp r i n c i p l e so fp r i n t e dc i r c u i tb o a r d 4 6 4 5 3a l l o c a t i o no fd e c o u p l i n gc a p a c i t o r 4 6 s u m m a r yo fc h a p t e r4 4 7 c h a p t e r5s o f h a r ea l g o r i t h md e s i g no fh i g h p r e c i s i o ns m a r tl o a d c e l l 4 8 v l 山东大学硕士学位论文 5 1 t a r g e to fs o i 蕾w a r es y s t e m 4 8 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 1 1c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 4 8 s t r u c t u r eo f s o f t w a r es y s t e m 4 9 d e s i g no fs y s t e ms t a r t u pc o d e 5 0 d e s i g no f o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m 5 1 5 4 1l i n e a ra d j u s t m e n ta l g o r i t h m 51 5 4 2 t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h m 5 4 s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a m 5 5 a n t i - j a m m i n gd e s i g no fs o f t w a r e 5 8 5 6 1 d i g i t a lf i l t e rt e c h n o l o g y 5 8 5 6 2s o f t w a r et r a p 5 8 5 7 s u m m a r yo f c h a p t e r5 5 9 c h a p t e r6d i g i t a lf i l t e ra l g o r i t h mo fh i g h p r e c i s i o ns m a r tl o a c lc e l l 6 0 6 1 d i 【g i t a lf i l t e ra l g o r i t h ms e l e c t i o n 6 0 6 1 1w i n d o wm o v i n ga v e r a g ef i l t e r 6 0 6 1 2r e a l i z a t i o no fl i rd i g i t a lf i l t e r 6 2 6 2 o p t i m i z a t i o na l g o r i t h md e s i g no fi i rd i g i t a lf i l t e r 6 4 6 3 6 4 6 2 1p r o b l e m so f t r a d i t i o n a ld i g i t a lf i l t e r 6 4 6 2 2 o p t i m i z a t i o no f l i rd i g i t a lf i l t e rd e s i g n 6 6 f i l t e r i n ge f f e c to f i i rd i g i t a lf i l t e r 6 8 s u m m a r y o fc h a p t e r6 7 0 c h a p t e r7c o n c l u s i o na n df u t u r ew o r k 7 1 7 1 7 2 c o n c l u s i o n 7 1 r e f e l e n c e s 7 4 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 9 v h 山东大学硕士学位论文 p a p e r sa n dp r o j e c t s 8 0 i i 山东大学硕士学位论文 摘要 传统的模拟式称重传感器具有输出模拟信号小、传输距离短、抗干扰能力差、 安装调试不方便等缺点，而且随着信息时代的到来，越来越多的测试任务要求以 计算机为测试平台，实现将高精度、快速度、多样性、灵活性相结合的测试，传 感器向着小型化、模块化、数字化、智能化和网络化发展也就成为了必然。因此 在种类繁多的称重仪表中，数字化称重传感器渐渐成为市场上的新宠。与模拟称 重传感器相比，数字化称重传感器的可靠性高，抗干扰能力强，灵敏度高，防雷 性能好，通信速度快，防作弊效果显著等优点使它成为传感器的发展趋势。 针对模拟传感器的输出信号小、传输距离短、抗干扰能力弱，以及目前一些 数字称重传感器精度不高等一系列问题，本文提出了一种精度可达0 0 5 u v 1 0 m v ( 百万分之五) 的数字化称重传感器设计。 该设计充分结合硬件系统和软件系统功能，采用全差分信号调理、比率测量 技术、交流激励原理及数字滤波器技术大大降低了系统对硬件的要求，降低了系 统成本；同时采用3 2 位微处理器进行数字信号处理以实现系统线性调整、温度 补偿和数字滤波等功能，提高了系统的精度、线性和稳定性。另本设计采用独创 的数字滤波器技术，使得数字滤波器在保持高滤波性能的前提下具有短的建立时 间，保证了数据测量的实时性。经验证，该设计基本达到了系统所要求的精度指 标。 关键词：称重传感器；高精度；比率测量：交流激励：数字滤波器 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a la n a l o gl o a dc e l l sh a v et h ed i s a d v a n t a g e so fs m a l la n a l o gs i g n a l ， s h o r t t r a n s m i t t i n gd i s t a n c e ，w e a k a n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t y a n di n c o n v e n i e n t i n s t a l l a t i o n m o r e o v e r , 、析t ht h ea d v e n to ft h ei n f o r m a t i o ne p o c h , m o r ea n dm o r e t e s t i n gt a s k sr e q u i r ec o m p u t e r sa st h et e s tp l a t f o r m , t oa c h i e v eh i g h l ya c c u r a t e , f a s t , d i v e r s i f o r ma n df l e x i b l et e s t s s ot h et r e n dt h a td e v e l o p m e n to fs e n s o r st o w a r ds m a l l ， m o d u l a r , d i g i t a l ，i n t e l l i g e n ta n dn e t w o r ki si n e v i t a b l e c o m p a r e d 、 ，i t ha n a l o gl o a d c e l l s ，d i g i t a ll o a dc e l lo ft h ea d v a n t a g e so fh i g hr e l i a b i l i t y , s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e ， l l i g hs e n s i t i v i t y ，l i g h t n i n gp e r f o r m a n c e ，h i g hc o m m u n i c a t i o ns p e e da n da n t i - c h e a t e f f e c tm a k e si tt h et r e n do fs e n s o r sd e v e l o p m e n t f o rs o m ee x i s t i n gp r o b l e m si na n a l o gl o a dc e l l s ，s u c ha sw e a ka n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y ，s h o r tt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，a n dl o wa c c u r a c yo fs o m ek i n d so fd i g i t a ll o a d c e l l s ，ac u r r e n td i g i t a ll o a dc e l ls y s t e mi se s t a b l i s h e d ；w h o s ea c c u r a c yc a nr e a c h o 0 5 u v 1o m v ( 5 10 0 0 0 0 0 ) t h ed e s i g nf u l l yi n t e g r a t e st h ef u n c t i o no fh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m ， m a k e su s eo ff u l l yd i f f e r e n t i a ls i g n a lc o n d i t i o n i n g ，r a t i om e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，a c e x c i t a t i o np r i n c i p l ea n dd i g i t a lf i l t e rt e c h n o l o g yt og r e a t l yr e d u c et h es y s t e mh a r d w a r e r e q u i r e m e n t s a n dt h es y s t e m c o s t s ；m o r e o v e r , t h ed e s i g n u s e so f3 2 - b i t m i c r o p r o c e s s o rf o rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt oa c h i e v et h ef u n c t i o no fl i n e a r a d j u s t m e n t , t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na n dd i g i t a lf i l t e r i n gw h i c hc a ni m p r o v et h e s y s t e mp r e c i s i o n , l i n e a r i t ya n ds t a b i l i t y l a s t t h i sd e s i g nu s e sau n i q u ed i g i t a lf i l t e r t e c h n o l o g yw h i c he n a b l e sd i 西t a lf i l t e rt om a i n t a i nah i g hf i l t e r i n gp e r f o r m a n c ei nt h e p r e m i s eo f as h o r ts e t t l i n gt i m et oe n s u r et h a tt h ed a t am e a s u r e di nr e a lt i m e v e r i f i e d t h a tt h ed e s i g nb a s i c a l l ya c h i e v et h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n to fs y s t e m k e yw o r d s ：l o a dc e l l ；h i g hp r e c i s i o n ；r a t i om e a s u r e m e n t ；a ce x c i t a t i o n ；d i g i t a l f i l t e r 2 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 本章阐述了称重传感器的基本测量原理，发展趋势和存在的问题。介绍了课 题研究的目的、内容、目标和意义。 1 1称重传感器概述 称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置，是 衡器上使用的一种力传感器，它能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成 可计量的输出信号。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电 容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8 类，以电阻应变式使用 最广。 电阻应变式称重传感器是利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理 工作。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4 部分组成。电阻应 变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电 阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输 出。 1 1 1 称重传感器测量原理 一、电阻应变式称重传感器 任何力学参数的变化只要能将其转换成应变的相应变化，都可以利用电阻应 变片进行测量。根据这一原理，可以把电阻应变片直接粘贴在被测构件上进行应 变测量，也可以设计成适当的传感器，用以测量其他力学参数。 图1 - 1 柱式称重传感器示意图 3 山东大学硕士学位论文 l 、工作原理 如图1 - 1 为典型的柱式称重传感器示意图，它的弹性原件是受压力的圆柱， 其上贴有电阻应变片。 弹性原件一般为一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受 称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产 生一个高品质的应变场( 区) ，使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变到 电信号的转换任务。当载荷作用在圆柱上，圆柱将产生轴向压缩，随着电阻应变 片的电阻发生相应的变化，测量电桥失去平衡，即有输出电压。 2 、检测电路 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电 桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较 方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广 泛的应用。 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相 互抵消，所以称重传感器一般均采用全桥式等臂电桥。 二、应变片构造和测量原理乜 如图1 - 2 为金属应变片的典型结构，它由敏感栅、基底、保护片、引线和黏 结剂等组成。 线 图卜2 电阻应变片结构示图 敏感栅一般是用某种具有较高且稳定电阻率的金属细丝( 直径约在0 0 1 5 - 0 0 5 n z n ) 绕制而成。将敏感栅粘贴于绝缘的基底和保护片之间，并用引线引出。 设金属丝长度为l 、横截面积为s 、电阻率为p ，其电阻r 为 4 山东大学硕士学位论文 r ：堕 s 式1 1 两边取对数再微分，可得： 警= 警+ 詈一警 r 口 i s 式中誓一电阻的相对变化； i 电阻率的相对变化； 口 ( 式1 1 ) ( 式1 2 ) 一譬金属丝长度相对变化，用表示，= 苦称为金属丝长度方向的应变 或轴向应变； 誓一截面积的相对变化，因为s = r 2 ，r 为金属丝的半径，则d s = z r d r ， a 。s ：2 生，害为金属丝半径的相对变化，即径向应变r 。 5rr 。 由材料力学知道，在弹性范围内金属丝沿长度方向伸长时，径向( 横向) 尺 寸缩小，反之亦然。即轴向应变与径向应变r 存在下列关系 = 一p ( 式1 3 ) 式中l - 金属材料的泊松比。 根据实验研究结果，金属材料电阻率相对变化与其体积相对变化之间有下列 关系 垒= c 盟 p 。v ( 式1 4 ) 式中c - _ 属材料的某个常数，例如，康铜( 一种铜镍合金) 丝c 1 ； v _ 体积。体积相对变化警与应变、r 之间有下列关系 v = s l 5 山东大学硕士学位论文 可2i 十i 2 2 | + = 一z 睥+ 2 ( 1 2 d 由此得 一d p ：c 竺：c ( t 一2 曲 p v 。7 将上述各关系式一并代入式1 2 ，得 警= c ( 1 - 2 弘) - i - + 2 1 忧- - - - 【( 1 + 2 1 x ) - i - c ( a 一2 】= k 8 ( 式1 5 ) 式中k 。对于一种金属材料在一定应变范围内为一常数。将微分d r 、d l 改写成增 量a r 、a l ，可写成下式： 芸= k s i a l = k 一 ( 式1 6 ) 即金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系 数k 。称为金属丝的应变灵敏系数，其物理意义为单位应变引起的电阻相对变化。 用于制造电阻应变片的电阻丝的k 。一般在1 8 3 6 之间。 三、 电桥的测量原理口钔 电阻应变片的测量多使用电桥。电桥在外加激励的前提下可以将电阻、电感、 电容等参量的变化转化为电压或电流等易测物理量，也可经过放大器进行放大。 由于桥式测量电路简单，而且具有较高精确度和灵敏度，因此在测量装置中 被广泛应用，如图i - 3 所示。 6 a 图1 - 3 电桥线路原理图 山东大学硕士学位论文 由图卜3 桥路图可知：当电源e 为电势源，根据等效发电机原理可求出检流 计中流过电流与电桥各参数之间的关系为 ，= 苎亟垒二垒生! 一 置口( r t + r i ) ( 冀+ r ) i + r i k ( r - + 矗) + 矗- r 4 c g - + r t ) 式中负载电阻。因而其输出电压为 ( 式1 7 ) = 2 而而蘸嵩撩丽 ( 式1 8 ) 由上可见，当r i r 42r 2 r 3 1 对，乙= 0 ，= o ，即电桥处于平衡状态。 若电桥负载电阻毛为无穷大，则b 、d 两点可视为开路，上式可以简化为 = 层者耥 ( 式1 9 ) 设q 为应变片的阻值，工作时疋l 有一增量r ，当为拉伸应变时，r 为正； 压缩应变时，厶r 为负。在上式中以r l + 厶r 代替r 1 ，则 = 层嚣桊舞筠 实际使用时多采用等臂电桥，即r i = r 2 = r 毒= r = r o ，则 i = e 蒜怎 ( 式1 1 0 ) 因厶只r 。，所以e 竺4 r o ，可见桥路的输出与e 成正比，且在厶r 足。条 件下，与竺j r o 也成正比 全桥接法中，工作时四个桥臂阻值都会随被测量变化而变化，且当相邻桥臂 应变极性不同，相对两桥臂应变极性一致时，层筹，此时可获得最大的输 出和最高的灵敏度。 7 山东大学硕士学位论文 1 1 2 称重传感器的发展趋势 目前，全球科学仪器产品在技术上正朝向数字化、网络化、微型化方向发展。 数字化：由于微电子技术的进步，仪器产品进一步与微处理器、p c 技术融 合，仪器的数字化、智能化水准不断提高。 网络化：当前国际上现场总线与智能仪表的发展呈现多种总线及其仪表共存 发展的局面。多种智能化仪器已陆续推向市场，仪器正面临深度的智能化变革， 整合测试系统也走向了网络化。 微型化：应用微机电技术的微型仪器被称为芯片上的仪器，广泛应用于环境 科学、航天、生物医疗、汽车工业、军事、工业控制等领域。 由于集成电路和计算机的发展，现在应变称重技术有很大的变化。具体表现 在如下几个方面： ( 1 ) 高精度、高稳定性 由于集成电路的发展，高性能的芯片不断涌现，各种误差解决方式的不断完 善，使得未来的传感器具有更高的精度、更强的抗干扰能力和更远的传输距离。 ( 2 ) 微型化 微机电技术的发展需要相应的微型仪器，而集成i c 设计和封装技术的飞速 发展，使得集成电路芯片的尺寸大幅度减小，使仪器尺寸的减小成为了可能。 ( 3 ) 智能化 随着电子技术的发展，传感器能够在保持小尺寸的前提下完成信号探测和处 理、逻辑判断、双向通讯、自检、自校、自补偿、自诊断和计算等大部或者全部 功能。 1 2论文的目的、内容和目标 本课题是实验室和企业合作研发的项目，因为传统称重传感器已经不能满足 实际生产需求，而且随着信息时代的到来，越来越多的测试任务要求以计算机为 测试平台陆1 ，实现将高精度、快速度、多样性、灵活性相结合的测试，传感器向 着小型化、模块化、数字化、智能化和网络化的发展也就成为了必然。而直接进 口国外的产品模块成本太高，且对外依赖性强，因此联合开发新的传感器势在必 行。 8 山东大学硕士学位论文 本文针对传统称重传感器存在的问题和企业基于成本的考虑，提出了一种高 精度数字式智能称重传感器 6 1 设计，该设计充分结合硬件系统和软件系统功能， 采用全差分信号调理、比率测量技术、交流激励原理及数字滤波器技术大大降低 了系统对硬件的要求，降低了系统成本，同时采用3 2 位微处理器进行数字信号 处理以实现系统线性调整、温度补偿和数字滤波等功能，提高了系统的精度、线 性和稳定性。另本设计采用独创的数字滤波器技术，使得数字滤波器在保持高滤 波性能的前提下具有短的建立时间，保证了数据测量的实时性。 根据上述设计思路，本文详细论述了该高精度数字式智能称重传感器所应用 的相关技术，介绍了该设计的硬件原理以及软件设计思路，并进行了相应的研究。 主要研究内容包括： 高精度数字式智能称重传感器系统硬件结构设计 高精度数字式智能称重传感器系统软件算法设计 高精度数字式智能称重传感器系统数字滤波器设计 设计目标： 系统精度：达到g b t7 7 2 4 - - 1 9 9 9 所规定的1 级准确度( 即分度数为2 0 0 0 0 0 ) 。 相对于满量程为l o m v 的系统，则可分辨信号达0 0 5 u v 。 1 3课题研究的意义 本课题研发的“高精度数字式智能称重传感器”主要用于工业现场的称重和 配送系统，它的市场前景广阔。目前国内物料称重和配送系统中的高精度称重传 感器，或者使用模拟式称重传感器，或者依赖国外进口的数字式传感器，其价格 十分昂贵，不利于企业经济效益的提高。而我们联合研发的高精度数字式智能称 重传感器采用系统级设计，使得硬件系统和软件系统完美结合，以软件系统的功 能降低硬件系统的要求，以硬件系统来保证软件系统的实现。通过这种系统级架 构，使得产品在具有高精度高稳定性的同时，成本大大降低，因而在价格上有较 强的竞争力。且“高精度数字式智能称重传感器”的核心技术“高精度数字智能 化技术 的应用范围很广，在任何运用“惠斯通电桥原理 来进行测量的器件上 都有用武之地。 9 山东大学硕士学位论文 第二章背景技术介绍 弟一早月京汉小丌珀 2 1高精度信号处理基础知识 2 1 1噪声、寄生热偶对微弱模拟信号的影响 一、系统内部噪声 噪声是许多信号处理系统的基本制约因素。同样，它是许多电子设计，特别 是测量电路的主要制约条件。测试与测量、医学成像和高速数据通信都需要越来 越高的信息密度。与此同时，半导体工艺的进步能实现更高的数据处理速度和功 能密度，但却要降低工作电源电压，由此降低信号幅度。结果是，加大了系统设 计对模拟前端噪声性能进行管理的压力。许多文献资料把所有不需要的信号( 来 自外部的和存在于电路内部的) 都归入噪声这一大类。但是设计师对外部和内部 这类噪声采取的预防和补救措施则是大不相同的。任何一类噪声都不能忽视，但 本节着重讨论信号路径内部的噪声源。也就是说，良好的低噪声系统设计需要充 分考虑电路工作环境内的干扰。按照噪声源分类，噪声一般有如下几类