（电工理论与新技术专业论文）基于arm7的动态称重系统研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r ac t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n s i s t e n tn e e df o rs t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , f a s tr e s p o n s e s p e e da n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n o ft h ew e i g h i n gs y s t e mi nt h em o d e r mi n d u s t r y f i e l d ，t r a d i t i o n a ls t a t i cw e i g h i n gi n s t r u m e n t sb a s e do ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc a n t t s a t i s f yi n d u s t r i a ln e e d i nc o n n e c t i o nw i t ht h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g ya n dd y n a m i c w e i g h i n gt e c h n o l o g y , t h es e n s o ru s e sa c c u r a t ed a t ac o n v e r t e r sa d u c 7 0 2 6w h i c hd e p e n d o na d i si n t e g r a t e da r m 7 t d m ia n di n t e g r a t e sa d v a n c e dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n d p o w e r f u lv i s u a lc + + t oc o n s t r u c tt h ei n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lw e i g h i n gi n s t r u m e n t ，i tn o to n l yh a st h ec o m m u n i c a t i o n sc a p a b i l i t i e sa n d g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，b u ta l s oh a sg o o da n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c ea n df a s t e rr e s p o n s e s p e e d f i r s t l y , t h i sp a p e rh a sm a d et h et h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ec o n s t r u c t i o no f t h ed y n a m i c w e i g h i n gs y s t e m ，t h es y s t e mm o d u l ea n di t sp r i n c i p l eo f w o r k t h e n ，i td e s c r i b e st h ed e s i g n o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ee m b e d d e ds y s t e mi nd e t a i l ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e s a d u c 7 0 2 6 t h ew h o l es y s t e ma d o p t su p p e rc o m p u t e ra n ds u b o r d i n a t ec o m p u t e r , b e t w e e n w h i c ha r eu s i n gp r o t o c o lr s 2 3 2 t h es u b o r d i n a t ec o m p u t e r ( s e n s o r ) i sm a i n l yu s e dt o a c c o m p l i s ha m p l i f y i n gs i g n a l s ，a d c o n v e r s i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，a n d t r a n s m i s s i o n t h eu p p e rc o m p u t e r ( c o m p u t e r ) u s e sv i s u a lc + + t od e s i g nag r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ，w h i c hi su s e df o rp a r a m e t e rs e t t i n ga n dd a t ar e c e i v i n g f i n a l l y ，w ec o r r e e t l y a n a l y z e dt h ee r r o rs o u r c eo ft h es y s t e ma n dg a v et h em e a n so fi m p r o v e m e n t t h i sw i l l i m p r o v et h es y s t e mf o rl a t e ra n dp r o v i d et h ev e r yg o o de x p e r i e n c e t oi m p r o v et h e a c c u r a c ya n d a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h es e n s o r , t h ed i g i t a l c o m p e n s a t i o ni sm a d ef o rz e r od r i f t i n ga n dc r e e p an e w d a t ap r o c e s s i n gm e t h o d _ t r i g g e r f u n c t i o ni sp r o p o s e d ，f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i cw e i g h i n g i nc o n c l u s i o n ，t h ed y n a m i cw e i g h i n gi n s t r u m e n tc a ns a t i s f yt h en e e df o rt h em o d e m i n d u s t r yf i e l d ，w h i c hi st h ed e v e l o p m e n to fd y n a m i cs y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m h a s i m p o r m e n ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：d y n a m i cw e i g h i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a d u c 7 0 2 6 ，r s 2 3 2 ，v c + + i i 第一章绪论 1 1 课题的背景及研究意义 第1 章绪论 称重与人类生产、生活息息相关，在工业生产现场中，有很多地方需要在正常作 业的同时测量出物料的质量，而且，在这种情况下其重量往往是一个随时间变化的变 量。例如，钢铁工业中，要在铁矿石向钢包中装载的同时测量其质量；又如在医药生 产中，在灌注的同时测量出药液的质量，但又不允许从生产线上取下药瓶再进行测量。 这就是动态称重系统所要解决的问题。这种系统具有如下的一些特点口。3 1 ： ( 1 ) 被测对象处于非静止状态，即被称重或测力的物体在运动； ( 2 ) 测量环境处于非静止状态，即称重测力计量仪器置于其中的测量床身、台面 或支架等在运动； ( 3 ) 在短时间内进行快速测量，即测量时间短于称重测力计量仪器的稳定时间， 要求系统有良好的时间响应特性； ( 4 ) 通常是一种连续作业的自动测量系统。 由此可知，静态称重是指在测量期间其值可认为是恒定的量的测量。而动态称重 则是指为确定被测重量的瞬时值或其随时间的变化所进行的测量，或二者都随时间变 化，即被测重量是随时间变化的。显然在动态的测量中，必须考虑信号的响应时间， 即从称重传感器的输出信号受到物料激励发生突变的时间开始，到响应达到并保持其 最终稳定值在规定极限内的时间间隔。而在静态测量中，通常并不考虑信号的响应时 间，只注意测量结果的不确定度和随时间的稳定性或可靠性。因此，对于动态称重来 说，快速性及精度要求是两个同等重要的指标，采用的方法就需要同时兼顾两项指标， 因此解决动态称重问题的难度要大于静态称重。 从物理原理分析，任何物体或系统都具有惯性，当物体从一个状态改变到另一个 状态时需要一段时间，要经历一个过渡过程。同样对一个称重系统，当它感受到一个 重量时，从一种受力状态变化为另一种受力状态时，也要经历一个过渡过程，在过渡 过程中，测量值与实际重量值相差较大，难以满足精度要求，只有系统趋于平稳后， 才能够准确地测量，这样就存在速度上的限制。 现代工业生产要求称重环节在尽量短的时间内完成，采用动态称重可以缩短称重 时间，而且要求称重过程具有连续性和在线性，这就要求称重系统必须连续并实时地 完成数据处理，并且要求称重系统具有丰富的通讯接口，能够与工业现场总线相连接， 并具有输入输出工业控制信号的功能。同时要求称重仪表具有良好的图形界面，方 便用户操作使用。 第一章绪论 目前，国内生产的称重产品大多是以普通单片机为核心的静态称重仪表，由于普 通单片机的运算速度慢，通常只采用平均滤波算法进行数据处理，不能采用计算量比 较大的数据处理方法，如模糊补偿算法和动态称重方法等，传统的称重仪表的抗干扰 能力比较差，只能在系统平稳后，才能获得准确数据，称重需要时间长。前期查询和 阅读资料表明，国内市场上还没发现有这类动态称重产品推广应用的报道，国外已有 几家著名大公司推出了各自的动态称重产品，但由于价格昂贵，没能在国内推广使用 h 1 。本文跟踪国际先进技术，研究开发一种具有自主知识产权的高精度动态称重系统。 1 2 国内外研究现状 电子称重技术是集电子、材料、通信、计算机为一体的综合技术，是一项系统工 程。各工业发达国家长期以来，都把电子称重技术的研究及应用提高到电子称重设备 制造工程的高度来认识。它们不约而同的将研究开发的重点，从单纯的称重转移到生 产过程的称重系统和自动控制领域，使称重计量的内涵不断扩展，由狭义到广义，由 单项到系统，新型的现代称重计量概念已脱颖而出，一跃成为当代世界瞩目的技术与 行业。 随着计算机和称重传感器技术的迅速发展，现代科学技术的相互渗透，电子称重 技术及应用又有了新发展。称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测 量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和 动态称重的研究与应用，已为世界各国所关注。欧美发达国家已有相关产品问世。例 如，美国s e n s o r t r o n i c s ( s t s ) 公司推出的模块化数字式称重传感器，可应用于配料 控制系统领域。德国h b m 公司生产的f i t 高速高精度传感器是动态称量系统的首选。 可以说电子称重技术的发展水平，己成为衡量一个国家科学技术水平和工业发达程度 的重要标志之一磕，。 为了适应当前高速生产的要求，称重方式也由过去的手动、离线和静态方式发展 为自动、在线和动态方式。自动在线称重和动态称重将成为主导称重方式。 国外对动态称重研究起步较早，目前，国内尚处于早期研究阶段。国内市场上出 售的称重产品多是以单片机为核心的静态称重仪表，因单片机存储容量比较小，系统 资源有限，运算速度较低，只能实现平均滤波算法等简单的数据处理方法，不能完成 动态称重中的运算量较大数据处理方法，无法满足动态称重系统抗振动干扰能力强、 响应速度快的要求。 1 3 课题来源及主要研究内容 随着国内外劳动力成本的提高以及国际市场环境对我国加工业的要求，动态称重 2 第一章绪论 系统在食品包装、饮料灌装、缺件检测、果蔬分选等行业得到越来越广泛的应用。这 对传感器的测量精度、操作界面、响应速度提出了更高的要求。本文跟踪当前国际上 嵌入式系统技术和动态称重技术的最新研究成果，在传统应变式称重传感器的基础 上，采用a d i 公司的集成a r m 7 t d m i 内核的精密数据转换器a d u c 7 0 2 6 结合先进的数据 处理技术和功能强大的v i s u a lc + + 软件来构造智能化的数据采集系统。与传统称重 仪表相比，不仅具有通讯功能和图形化操作界面，并且具有良好的抗干扰性能和更快 的响应速度。 在前期充分调研和对a d u c 7 0 2 6 精密微控制器和先进的数据处理技术进行深入研 究的基础上，提出了快速高精度动态称重系统的解决方案。本论文的内容分为以下几 个章节。 第1 章：绪论 介绍了课题的背景、国内外研究现状、本文主要工作和需要解决的关键性问题。 第2 章：系统总体方案设计 首先介绍了系统要实现的功能；接着提出实现动态快速称重的研究思路：最后设 计了系统的总体方案。 第3 章：称重模块硬件设计 首先介绍硬件设计原则，说明整个系统的信号控制流程，设计了控制板电路框图 上的各个分模块的详细电路。 第4 章：下位机软件设计 介绍了下位机软件开发环境；设计了主程序流程图，并详细说明了零点补偿子程 序、触发函数和通讯子程序。 第5 章：上位机程序设计 首先介绍了上位机实现的主要功能，并对使用的主要控件做了详细的分析。 第6 章：提高系统精度的研究 从理论上对系统精度和速度分别做出了分析，提出了几项提高系统精度和抗干扰 的措施。 第7 章：总结与展望 对全文进行总结，并对系统的下一步改进做出展望。 1 4 本章小结 介绍了课题的背景、国内外研究现状、课题来源和本文主要内容。 第2 章系统总体方案设计 第2 章系统总体方案设计 2 1 系统的性能要求及设计指标 工业动态称重系统由嵌入式称重仪表、称重传感器及机械称重台面组成。当 物料被施加到称重台面时，安装在台面下的称重传感器将压力信号转换为微弱电 信号，传递给嵌入式称重仪表，由称重仪表完成电信号的放大、滤波、模数转换 以及实时数据处理，同时将处理过的数据通过通讯接e l 传给其他设备，完成数据 的显示记录、实时监控等工作。图2 1 为动态称重系统体系结构图。 图2 i 动态称重体系结构图 2 1 1 系统的设计要求 在设计实际工程项目的总体规划时，首先要有一个好的设计思想及正确的设 计原则。依此为依据，经过详尽的需求分析，综合平衡系统中各功能部件的性能 后，使系统的性能达到最优。在进行动态称重仪表的总体设计过程中，采取了以 下设计原则： ( 1 ) 系统的构成要具有一定的先进性但同时也要考虑到现场实现的可行性； ( 2 ) 系统的操作性能要好，实用性要强； ( 3 ) 系统的内部参数可通过图形界面进行灵活设定，使系统可应用于多种称 重现场； ( 4 ) 系统的测量精度要高、速度要快； ( 5 ) 系统工作稳定、可靠，便于检测与维修； ( g ) 系统通用性好，硬件、软件均留有一定的扩展余地，利于用户的二次开 也 及； ( 7 ) 具有好的性能价格比。 4 第2 章系统总体方案设计 2 1 2 系统的性能指标 根据以上的设计原则，结合现有国内外工业称重仪表性能指标，充分考虑了 国内用户以及工作现场的需要，拟定了以下的主要技术性能指标： ( 1 ) 通讯接口 2 路串行通讯接口，包括1 路r s - 2 3 2 接口和l 路r s 一4 8 5 接口。 ( 2 ) 图形操作界面 利用v c + + 编程实现图形用户界面，此图形界面可设置系统的内部参数，实 时显示称重值并能以曲线的形式显示测量值。 ( 3 ) 静态称重精度 静态称重精度不低于0 1 。 ( 4 ) 抗干扰性能 振幅2 m m ，频率3 h z 以上振动环境下称量精度不低于0 5 。 ( 5 ) 响应速度 阶跃信号响应时间( 动态称量误差小于3 时) 小于2 0 0 m s 。 ( 6 ) 电压范围 a c ：2 2 0 v ( 士1 0 一1 5 ) ，5 0 h z 。 2 2 系统的体系结构及设计方案 2 2 1 系统整体设计结构 嵌入式动态称重仪表的硬件部分主要由嵌入式微处理器、数据采集模块、数 据通讯模块等组成。软件部分主要包括数据采集、数据处理和存储、数据传输以 及参数设置等。嵌入式动态称重系统的硬件与软件组成如图2 - 2 所示。 图2 2 嵌入式动态称重仪表的组成 在硬件设计上，本系统采用的a d u c 7 0 2 6 是a d i 公司生产的集成a p 瑚7 t d m i 第2 章系统总体方案设计 内核的精密数据转换器，具有a r m 7 t d m i 内核的编程能力，适用于高精密测量与 控制，以及具有基本数字编程要求的数据采集系统。处理器的运算能力可以满足 动态称重的数据处理的要求暗1 。 通讯模块采用r s 一2 3 2 串行通讯接口。此接口可与p c 相连，完成微处理器内 部参数的设定以及重量信号的接收和显示。传感器正常工作与p l c 相连，p l c 对 其发送指令，传感器响应命令并传输相应的数据。 现场数据输入输出模块用来输入输出各种工业信号，包括模拟量输入模块、 模拟量输出模块、数字量输入模块和数字量输出模块。 在完成系统硬件总体设计的基础上，进行系统软件的方案设计，系统的软件 主要分为以下模块： ( 1 ) 数据采集和处理模块； ( 2 ) 图形用户界面模块； ( 3 ) 数据通讯模块。 数据采集模块软件设计主要任务是采集称重传感器的测量信号，采用数据滤 波与数据处理算法，实现动态称重。作为工业称重仪表，应充分考虑到工业现场 的恶劣环境，特别注重抗干扰性能的设计，在设计的各个环节中都为提高抗干扰 性能而采取相应措施。保证仪表在恶劣的工业环境中可靠运行。 图形用户界面是在w i n d o w s 操作系统下利用m f c 编程实现的，此界面可对传 感器内部参数进行多种设定，实现在线调试，使系统可应用于各种工业场合。 数据通讯模块的设计要满足工业现场的要求，增加对工业现场总线的支持。 采用应用广泛的r s - 2 3 2 通讯接口。 2 2 2 系统硬件设计方案 硬件设计是围绕着嵌入式动态称重系统的功能进行设计的，是模拟量输入接 口、通讯接口、和动态称重算法实现的硬件基础。系统硬件结构如图2 - 3 所示， 主要包括：微处理器、模拟称重传感器、变送器、r s 一2 3 2 通讯接口等电路。 几o f ，! 一l m4 n v l ，l 0 l 模拟传感器爿账器b 微处理器 【一 a d u c 7 0 2 6 万 l 触摸屏 图2 - 3 系统硬件结构图 变送器将称重传感器的微弱信号( m v 级信号) 放大转换为标准模拟信号 ( 0 5 v ) ，标准信号被送入微处理器a d u c 7 0 2 6 ，利用a d u c 7 0 2 6 内部集成高达1 m s p s 6 第2 章系统总体方案设计 采样率的1 2 位a d c 对信号进行采集转换，利用内部微处理器( 集成一个a r m 7 t d m i 的内核) 强大的数据处理能力对采集数据进行滤波，动态算法处理，处理后的数 据通过r s 一2 3 2 发送至上位机p c 或者p l c 。p c p l c 在对输入数据分析后进行后续 的控制处理，例如电磁阀的控制、与触摸屏和处理器的通讯以及测量结果的统计 工作，触摸屏则能完成与p l c 的通讯工作并能提供友好的人机操作界面等。 系统使用前，传感器首先和p c 连接，根据现场情况完成传感器内部参数的 设定，将设置好的参数写到处理器的e e p r o m ，并在线调试，到系统稳定为止。 2 2 3 系统软件设计方案 软件设计是整个称重系统设计的重要组成部分，本系统软件设计分为上下位 机两大部分。下位机( 传感器) 主要完成数据的采集、滤波、处理以及和p c p l c 的通讯；上位机( p c ) 利用m f c 编程创建图形界面，此界面由通讯协议参数、系统 参数、数值显示、图形显示和触发参数属性页组成。系统软件框图如图2 4 所示。 上位机界面负责对下位机的多个参数进行读写操作，向下位机发送指令，并接收 显示下位机传输的数据信息和状态信息，为了更加直观的观察数据，此界面还要 能以曲线的形式实时显示当前连续的重量信号。 图2 4 系统软件框图 本文的第4 章将详细讲解下位机软件的设计，第5 章重点介绍上位机图形界 面的实现。 2 3 本章小结 本章首先给出基于嵌入式系统的动态称重系统的设计要求及性能指标。然后 分析了动态称重系统的总体结构设计，详细介绍了系统硬件与软件的总体设计方 案。为后续称重系统硬件和软件的具体实现提供了原则和依据。 7 第3 章称重模块硬件设计 第3 章称重模块硬件设计 硬件设计包括嵌入式微处理器选型、模数转换器a d c 、称重传感器选型、 变送器选型、电源稳压模块设计以及通讯模块设计。本章按照模块化设计方法进 行称重系统的硬件设计。 3 1 硬件设计原则 ( 1 ) 安全可靠 在选购或设计硬件时，应考虑到在实际工作环境中温度、湿度、粉尘、干扰 噪声等因素对系统所造成的影响，保证系统在实际工况下工作可靠、性能稳定。 系统设计时还应充分考虑软硬件的交互和分工，使它们配合协调。同时，在充分 考虑功能实现和性价比的基础上，减少芯片使用数量，使硬件系统简单可靠。 ( 2 ) 结构合理 由于设计出来的电路板需要封装在金属称重平台内，因此体积要设计得合 理，便于安装和调试。 ( 3 ) 智能化 系统在使用过程中，尽量减少人工参与的环节，具有高度的智能化程度。 ( 4 ) 操作与维护便捷 系统的设计要充分考虑到操作人员的使用习惯，要具有友好的人机界面：尽 量采用模块化设计，提高维护效率。 3 2 称重模块的硬件框图 整个模块的信号控制流程如下：首先，称重传感器采集到被测重物的模拟信 号，变送器将微弱的模拟信号( m y 级信号) 放大转换为标准模拟信号( o - 5 v ) ，标 准信号被送入c p u 的a d 输入端，利用c p u 内部集成高达i m s p s 采样率的1 2 位 a d c 对信号进行采样，c p u 对采样后的信号进行滤波和数据处理，将处理后的数 据通过r s - 2 3 2 发送至p c p l c 。p c 负责数据的接受和显示，并对c p u 内部的参数 进行读写操作；p l c 通过判断当前的重量值是否在允许的范围内来控制打开电磁 阀。称重模块的电路框图如图3 - i 所示。 第3 章称重模块硬件设计 图3 一l 称重模块的电路框图 由于系统硬件部分采用模块化设计方案，该电路设计组合具有以下特点： ( 1 ) 采用内部集成高达1 m s p s 采样率的1 2 位a d c 的嵌入式微处理器，保证了 采样的精度和速度，降低了硬件设计的复杂度； ( 2 ) 在传感器和a d 输入端之间采用变送器，提高放大电路的抗干扰能力， 信号稳定性好； ( 3 ) a r m 板电源采用三端稳压块稳压，增大了稳压范围，保证了精度和稳定 性。 为了充分体现模块化设计的思想，下面几个小节将分别详细设计各个分模 块。 3 3 嵌入式微处理器选型 用于嵌入式设备的处理器必须高度紧凑、低功耗和低成本。针对每一类应用 来说，开发者对处理器选择都是多种多样的。在嵌入式系统的开发过程中，流行 着许多处理器核，诸如a r m s t r o n ga r m ，m i p s ，p o w e r p c 等，它们都以各自的特 点分别应用在不同的场合。 其中，基于a r m 构架的处理器因其小体积、低功耗、低成本、高性能因而应 用很广，广泛应用在工业控制、移动通信设备、汽车、手持设备、多媒体数字消 费类产品领域等。目前，a r m 处理器按照内核版本大致可分为a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、 a r m i o 和s e c u r c o r e 系列等n 1 。a r m 公司向全球各大半导体厂商供应知识产权及 转让设计许可，合作厂商购买到a r m 微处理器核后，根据不同的生产领域，加入 各式各样的外围电路，从而生产出不同品牌的a r m 微处理器，如s a m s u n g 公司的 $ 3 c 4 5 1 0 、s 3 c 4 4 b o x 、$ 3 c 2 4 1 0 等，a d i 公司的a d u c 7 x x x 系列等。本系统设计时， 主要从性价比、片上资源和处理能力等方面考虑，选择a d i 公司的a d u c 7 0 2 6 作 为控制板的微处理器。 第3 章称重模块硬件设计 a d u c 7 0 2 6 是一款基于3 2 位a r m t d m i 内核的微控制器，片上带有8 k b 的s p 4 $ t 和6 4 k b 的f l a s h 存储器。指令代码可以在a r m 模式或t h u m b 模式下执行，代码 的执行效率很高，而性能损失很小。a d u c 7 0 2 6 具有a r m 7 t d m i 内核的编程能力， 以及具有基本数字编程要求的数据采集系统。适用于高精密测量与控制，广泛应 用于工业控制、医疗诊断、交通指挥、a t m 机等。主要特点如下阳引： ( 1 ) 集成了一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i r i s c 处理器内核，最高 处理能力高达4 5 m i p s ； ( 2 ) 输入最高支持1 6 通道的1 2 位a d 转换，采样率高达i m s p s ；输出最高 支持4 通道的1 2 位d a 转换； ( 3 ) 支持外部晶振，外部时钟源最高可达4 4 m h z ； ( 4 ) 4 1 7 8 m h z 的p l l ，并支持可编程分频； ( 5 ) 片内电源参考、温度传感器以及电压比较器； ( 6 ) 8 k b 片内s r a m ，6 4 k bf l s a h ，可扩展存储空间为2 5 6 k ； ( 7 ) j t a g 端口支持代码下载与调试； ( 8 ) 一个比较器，可编程逻辑阵列( p l a ) 和3 相脉宽( p 1 】l q v l ) 发生器； ( 9 ) 4 0 个通用1 o 口，1 个u a r t ，4 个通用定时器，4 个外部中断。 另外，a d u c 7 0 2 6 可在3 v 电压下工作，在动态模式下，5 m h z 时消耗电流1 l m h ， 4 1 7 8 m h z 时消耗电流4 0 m a 。目前常用的a d u c 7 0 2 6 为8 0 引脚l q f p 封装，工作温 度范围为- 4 0 - - + 1 2 5 。 3 4 模数转换器a d c 传感器能将非电物理量转换成电量，电量再经放大电路输出。一般情况下， 传感器的输出信号为模拟量，必须经过处理转换为数字量才能计算和显示等。这 种实现模拟量到数字量转换的电路称为a d 转换电路。a d 转换器是智能仪表和 微型计算机控制系统的基本部件，它直接关系到测量的准确度、分辨率和速度， 关系到控制系统的精确程度。本文使用有微处理器a d u c 7 0 2 6 内部集成的a d 转 换器。a d u c 7 0 2 6 的模拟一数字转换器主要特点如下汹： ( 1 ) 1 2 位精度； ( 2 ) 0 5 l s b 精确度； ( 3 ) 1 6 通道； ( 4 ) 转换速度高达1 m s p s ； ( 6 ) 7 种可编程触发方式： ( 7 ) 输入全差分、伪差分和单端三种模式； ( 8 ) 多转化结束中断输出方式： l o 第3 章称重模块硬件设计 ( 9 ) 内置2 5 v 参考源。 a d u c 7 0 2 6 的模拟一数字转换器( a d c ) 集成了一个1 6 通道1 2 位a d c 。其工作电 压范围为2 7 3 6 v ，当时钟源频率为4 1 7 8 m h z 时，其转换速度最高可以达到 1 m s p s 。同时a d c 模块还提供给用户多通道多路复用器、差分采样保持器、片内 参考电源和a d c 。 a d u c 7 0 2 6 的a d c 为基于双电容d a c 的1 2 位逐次逼近转换器。逐次逼近a d 转换器是一种速度较快，精度较高的转换器，其转换时间大约在l o 一- - l o o u s 之间。 通过编程配置，a d c 可以工作在三种不同的输入模式下：( 1 ) 差分模式，用于小 信号和平衡信号的转换；( 2 ) 单端模式，用于任何单端信号转换；( 3 ) 伪差分模式， 用于任何单端信号转换，可以较好的抑制共模信号。当工作在单端模式或伪差分 模式下时，a d c 可以接受的模拟电压输入范围为0 珞f f ；在差分模式下，输入 信号一定要稳定在共模电压附近，其范围为0 v 到4 d d ，最大幅度为2 。 a d u c 7 0 2 6 的a d c 是基于两个逐次逼近容性d a c 设计的，其转换过程主要包 括两个阶段：采样阶段和转化阶段。下面针对模拟信号的三种输入模式分别介绍 转换操作。 1 差分模式 在差分模式下，差分信号的幅值为输入引脚k + 和输入引脚一输入信号的 差值，即+ 一一，差分信号的最大幅值为一一+ ，即2 ，这里忽 略了共模信号的影响。共模信号为两个输入信号巧+ 和一的平均值，也就是两 个输入电压的中间值，即( + + 一) 2 ，这样一个输入信号的范围为 圪e f 2 ，其中m 为共模电压，在差分工作模式下，对共模电压有严格的限制。 共模电压需要外部设定，它的大小取决于参考源和输入电压。 在信号采样阶段，如图3 - 2 所示，s w 3 闭合，s w l 和s w 2 都闭合与a 上，比 较器保持在平衡状态，采样电容阵列开始充电，采集输入的差分信号。 a i n 0 m n l l 图3 - 2a d c 差分模式 第3 章称重模块硬件设计 在转换阶段，参考图3 2 。一旦转换开始，s w 3 分开，两个输入将会被断开。 而s w l 和s w 2 分别接在b 上，从而使比较器不再平衡。控制逻辑和电荷重分配 d a c 会加上或减去采样电容阵列中的电荷数量，使得比较器重新恢复到平衡状 态。当比较器重新平衡后，转换就已经完成，控制逻辑产生a d c 的输出代码。注 意：这里驱动+ 和一引脚输出源阻抗一定要匹配，否则由于两个输入的调节 时间不同会产生转换误差。 在差分模式下，代码转换发生在每一整数的l s b 值的中点( 即 1 2 l s b ，3 2 l s b ，5 2 l s b ，( f s 一3 ) 2 l s b ) ，理想的输入输出转换特征如图3 - 3 所 示。转换输出编码 1 l s b = 2 x 圪f f 4 0 9 6 ，当圪f f - - 2 5 v 时， 1 l s b = 2 x 2 5 4 0 9 6 = 1 2 2 m y ，a d 转换输出结果为1 1 位，其中最高位为符号位。 o0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 11 1 1 l 1 1 1 11 1 1 0 l0 0 0 00 0 0 0 0 1 0 0 10 0 0 00 0 0 0 0 0 l o l0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 广1 r 一 广 厂j 厂j 、广 一 一巧拼+ i l s b 电0 压l s 输b 入 + 杉断- 1 l s b 图3 3 差分模式下a j ) c 转换 2 伪差分和单端模式 在伪差分模式中，如图3 - 4 所示，模拟信号的负端( 即通道一) 连接到a d u c 7 0 2 6 的一上，s w 2 开关在a ( 通道- ) 和b ( ) 之f 司t ：j j 换，一般情况下一要接地或 则接更负的电位上。+ 上的输入信号的范围为一+ 一。注意：一一 定要选择恰当，不要使+ 一超过。 1 2 m 的 n u m n n n l l l l l 1i 1 l li l 1 1 位0 o o 号符 第3 章称重模块硬件设计 图3 - 4a d c 伪差分模式 在单端模式中，如图3 - 5 所示，模拟信号负端内部直接接地，a d u c 7 0 2 6 的一 引脚悬空。+ 引脚上的输入信号的范围为o 。 a i n o a i n i i 图3 5a d c 单端模式 伪差分和单端模式下采样阶段和转换阶段的基本操作与差分模式下类似，这 里不作赘述。 在伪差分或单端模式中，输入电压范围为0 圪。f ，输出编码为二进制编码， 转换结果1 l s b = f s 4 0 9 6 ，其中f s 为满刻度电压。在e f 2 5 v 时， 1 l s b = 2 5 v 4 0 9 6 = 0 6 1 m v 。a d c 每次代码的有效转换都发生在每整数l s b 值 的中点，即1 2 l s b ，3 2 l s b ，5 2 l s b ，f s - 3 2 l s b 。输入输出转换特性如图3 - 6 所示。 第3 章称重模块硬件设计 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 o 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 蚴旦4 0 9 6 。 电压输入+ j 瑶一1 上船 图3 - 6 伪差分或单端模式下a i ) c 转换 放大电路的输出信号在进入a d 转换器之前，先通过一个由运放a d 8 6 0 6 a r z 构成的电压跟随器，如图3 - ? 所示。此跟随器能起到信号缓冲和隔离的作用，即 隔离了放大电路对后级a d 转换电路的干扰。在跟随器后接入一个r c 低通滤波器， 以消除模拟输入信号中的高频成分。在对谐波失真和信噪比要求严格的应用中， 由于高阻抗的模拟输入会影响a d c 的交流特性，一般接低阻抗的模拟输入。 3 5 称重传感器和变送器 图3 7 运算放大器电路 传感器和变送器在仪器、仪表和工业自动化领域中起着举足轻重的作用。传 感器将非电量转化为电量，而变送器是将传感器输出的非标准电信号转换为标准 电信号的装置。 3 5 1 称重传感器选型 传感器技术与通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱技术， 是信息社会的重要技术基础，是信息采集系统的首要部件。世界工业发达国家对 1 4 n 加仉 l 1 l l l l 1 1 l l 1 ll l l l 1 l 1 l l l i l l l l l l 1 l 1 l i l 第3 章称重模块硬件设计 开发传感器技术都十分重视，美、日、法等国把传感器技术列为国家重点开发的 关键技术之一“0 1 。 传统模拟称重传感器主要有压电式、压磁式、电阻应变式几种。压电式称重 传感器是利用压电材料的压电效应，当有外力作用在压电元件上，就有电压( 或 电荷) 输出。压电式传感器形小体轻、工作频带较宽、机械强度高、刚性大、工 作变形小、绝缘性能好，广泛用于机械振动、冲击等领域的测量，但由于外力作 用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，这就要求测量电路 的输入阻抗非常大，很难实现，这种称重传感器一般用于动态力的测量1 。 压磁式传感器的工作原理是利用铁磁材料( 如：镍、铁镍、铁硅合金等) 的压 磁效应工作的。压磁式传感器抗干扰能力强，过载能力大，对运行条件的要求低， 能在较差的环境条件( 灰尘、腐蚀性气体、温度湿度较恶劣) 下工作，在冶金、矿 山、化工领域有广泛的应用，但长期稳定性和线性度差。 电阻应变式称重传感器的是现阶段应用最广、性能稳定、精度高、技术成熟 的称重传感器。它是利用金属弹性体的应变效应进行转换的，在被侧力p 的作用 下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片( 转换元件) 也随同产生变形，电 阻应变片变形后，它的阻值将发生变化( 增大或减小) ，再经相应的测量电路把这 一电阻变化转换为电信号( 电压或电流) ，从而完成了将外力变换为电信号的过 程。这种传感器具有体积小、反应快、线性度好、重复性好、使用方便等优点。 本文使用的模拟传感器即为电阻应变式称重传感器。 3 5 2 变送器选型 变送器是将非标准电信号转换为标准电信号的装置。本系统采用的变送器将 传感器的微弱信号( m v ) 信号转换为标准模拟信号( 如0 4 v ) ，具有信号放大的作 用。内部电路采用优质的元器件，稳定性好。变送器的外部接线图如图3 8 所示。 传感器接线端 地线 信号正 信号负 电源正 信号输出供电端 o o o o o o o o 3 6 电源稳压模块 图3 - 8 变送器的外部接线图 空脚 5 v 信号输出 + 1 2 7 直流 地线 本系统的直流电源可由普通的开关电源提供。开关电源提供的电压为9 v 。 第3 章称重模块硬件设计 微处理器芯片a d u c t 0 2 6 由3 3 v 电压供电。如图3 - 9 所示通过稳压芯片a d p 3 3 3 3 的稳压获得稳定的3 3 v 电压。图中，c 2 2 ，c 2 3 为l o u f 钽电容，起滤波作用， 钽电容体积小、容量大、漏电流低、使用寿命长、综合性能优异，是最优秀的电 容器，不仅在常规条件下比陶瓷、铝、薄膜等其它电容器体积小、容量高、功能 稳定，而且能在许多为其它电容器所不能胜任的严峻条件下正常工作。c 2 4 为去 耦电容，发光二极管d 3 为电源工作指示灯。 黹 r 3 7 通讯模块 图3 - 9 电源稳压电路 j 5 2 j 5 - 4 j 5 1 i s 一3 并行通信是数据各位同时进行传输的方式，优点在于传输速度快，但是其传 输数据宽度导致通信线路复杂，由于本系统数据传输量不大，采用串行通信方式 可以满足设计要求n 钉n 射。 串行通信有r s 一2 3 2 和r s - 4 8 5 之分。r s - 2 3 2 属单端信号传送，存在共地噪 声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于2 0 m 以内的通信。r s - 4 8 5 总线采 用差分传输方式，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度， 能检测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 综合比较，本系统中实现a d u c 7 0 2 6 与p c 通讯采用r s - 2 3 2 方式，与p l c 之 间的通信采用r s 一4 8 5 方式( 图3 1 0 中的r s - 2 3 2 接口使用的是a d u c t 0 2 6 的u a r t o 。 图3 - 11 中r s 一4 8 5 接口使用的是a d u c 7 0 2 6 的u a r t l ) 。r s - 2 3 2 电路是称重仪表和 p c 机的接口电路。用户可以利用r s 一2 3 2 串行通讯向称重仪表发送信息，以调整 称重仪表的工作参数。也可以扩展作为称重仪表和现场设备的通讯接口。 r s 一2 3 2 是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的 串行接口标准，主要用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通 讯。r s 一2 3 2 串行通讯是全双工的，可以同时接收和发送，它的逻辑“1 ”是一5 v 一1 5 v ，逻辑“0 是+ 5 v + 1 5 v 。r s - 2 3 2 串行接口总线适用于设备之间的通讯距 离不大于1 5 m ，并且传输速率最大为l o o k b p s 。 1 6 第3 章称重模块硬件设计 工 图3 一1 0r s 一2 3 2 通讯电路 使用a d u c 7 0 2 6 的u a r t 接口与p c 通信时，由于p c 串口是r s - 2 3 2 电平，因 此为了确保电平匹配连接时需要使用电平转换芯片，本系统采用m a x 2 3 2 芯片。 a d u c 7 0 2 6 、m a x 2 3 2 以及p c 之间采用典型的零调制三线制方法连接，r s - 2 3 2 通讯 电路如图3 一l o 所示。 r s - 4 8 5 通讯电路用于系统与现场设备的通讯，r s 一4 8 5 接口广泛应用于工业 控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。r s - 4 8 5 采用半 双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态。因此，发送信号须有使能信 号加以控制。它的逻辑“1 以两线间的电压差为+ ( 2 6 ) v 表示；逻辑“o 以 两线间电压差为一( 2 6 ) v 表示。该电平与1 ，i l 电平兼容，可方便与t t l 电路连 接。r s - 4 8 5 的数据最高传输速率为l o m b p s 。 本系统选用性能价格比较高的m a x 4 8 5 芯片实现t t l 电平到4 8 5 电平的转换， 并且r s - 4 8 5 通讯电路与主电路之间采用高速光电耦合器件6 n 1 3 7 进行隔离，进 一步保证电路的安全。r s 一4 8 5 通讯电路如图3 1 1 所示。 第3 章称重模块硬件设计 3 8 本章小结 图3 1 1r s - 4 8 5 通讯电路 硬件系统是称重系统实现数据采集、数据处理及数据通讯等功能的硬件基 础。本章详述硬件的设计过程。首先，说明了硬件设计过程中需要遵循的一些基 本原则；其次，给出了称重模块的电路框图；最后，讲述了硬件框图中各个分模 块的详细设计过称。其中包括称重传感器和变送器选型、嵌入式微处理