高精度皮带秤的模数转换

目录摘要1一、概述2二、功能需求分析321MAX1148功能分析322MAX1148的功能介绍323MAX1148的引脚功能应用424控制字模式625时钟模式6三、具体设计631硬件设备的选用732AD转换过程733MAXLL48的应用8四、总结10参考文献12高精度皮带秤的模数转换摘要1908年，美国的赫尔伯特梅里克发明了世界上第一台根据皮带速度和重量用机械方法进行计算的动态称重设备。二战后，尤其是在近四十年来，由于传感器制造工艺和电子技术的飞速发展，为提高皮带秤的计量性能创造了有利条件，使得皮带秤有了很大的发展。随着网络通讯技术的发展，皮带秤仪表正在向网络化、智能化、总线型方向发展。无论从哪个方面来说，电子皮带秤的高稳定性和高计量精度都显得越来越重要。而本设计中的控制系统采用PLC，符合现代化的要求，具有相当高的可靠性和稳定性。模/数转换器（ADC）是现代测控中非常重要的环节。它有并行和串行两种数据输出形式。并行ADC虽然数据传输速度快，但有引脚多、体积大、占用微处理器接口多的缺点；而串行ADC的传输速率目前已经可以做得很高，并且具有体积小、功耗低、占用微处理器接口少的优点。关键字高精度皮带秤模数转换MAXLL48单片机一、概述1908年，美国的赫尔伯特梅里克发明了世界上第一台根据皮带速度和重量用机械方法进行计算的动态称重设备。二战后，尤其是在近四十年来，由于传感器制造工艺和电子技术的飞速发展，为提高皮带秤的计量性能创造了有利条件。皮带秤的发展大致经历了以下四个阶段第一代为纯机械式皮带秤，一般采用增量式编码器，机械式或光电式扫描码盘等，使皮带秤的机械杠杆具有平衡条件，识别记数和启动功能。第二代为传感器电子仪表皮带秤，检测部分一般采用光电脉冲或磁电脉冲变送器测速，二次仪表用模拟积分放大电路或数字系统积分电路来实现动态称重过程的平衡，识别和累计计算功能。第三代、第四代是传感器微机式皮带秤和微机智能化的皮带秤（即电子皮带秤）。微处理机引入皮带秤，使电子元器件结构、内容和集成化程度大大提高。此时的皮带秤可以对一些动态变化参数进行控制，如零点跟踪、量程校准等电子皮带秤具有动态测量和自动在线测量等优点，被广泛应用于产品的定量包装和工业配料等工业现场，不仅起到减员增效、节支创收和减少误差的作用，而且加强了企业的管理，缩短作业时间，改善了操作条件，提高劳动生产率，降低劳动强度，从而大大提高了生产的自动化程度，被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口、建筑、机械制造和国防等各个领域。电子皮带称正以其独特的优势，作为一种新型高新技术产业受到全世界的普遍关注，具有十分广阔的发展前景。随着网络通讯技术的发展，皮带秤仪表正在向网络化、智能化、总线型方向发展。无论从哪个方面来说，电子皮带秤的高稳定性和高计量精度都显得越来越重要。而本设计中的系统控制软件采用PLC，正是符合现代化的要求，它具有相当高的可靠性和稳定性。电子皮带秤的结构主要分称重系统、运输系统，其中称重系统分分流机构和称体，此次主要介绍称体的模拟量转换为数字量的设计。模/数转换器（ADC）是现代测控中非常重要的环节。它有并行和串行两种数据输出形式。并行ADC虽然数据传输速度快，但有引脚多、体积大、占用微处理器接口多的缺点；而串行ADC的传输速率目前已经可以做得很高，并且具有体积小、功耗低、占用微处理器接口少的优点。随着电子技术的不断发展，各种串行接口电路的应用越来越多如串行AD、DA及各种接口电路等。与一般ADC器件相比，MAXLL48具有单电源供电、自带内部基准电压、转换精度高、外围电路简单、占用微处理器口线少、易于连接等优点，适用于较复杂的测控系统。因此，串行ADC的应用越来越广泛。在这主要介绍M1148ADC用于电子皮带称的设计。二、功能需求分析21MAX1148功能分析MAXLL48是MAXIM公司最新推出的一种真差分、8通道、14位逐次逼近、串行输出模数转换器。该器件具有转换速率高、功耗低、接口方便的优点，特别适用于工业过程控制、高精度数据采集、便携式数字仪表、医疗仪器等领域。22MAX1148的功能介绍8路单端或4路差分输入（内置多路模拟开关，由软件设置）。单极性模式时输出为二进制模式；双极性模式时输出为二的补码格式，1LSB（VREF/2N）；数据在SCLK下降沿同步输出，MSB先出。5V5单电源。内部基准电压4096V或外接基准。采样速率116KSPS；120A10KSPS；12A1KSPS；300A关断模式。内置T/H（跟踪/保持）电路。内部时钟或外部串行时钟（频率范围为01MHZ21MHZ），可通过设置控制字中的PD1、PD0位进行选择。提供一个硬关断（将SHDN引脚置低）和两个软关断（通过编程设置控制字中的PD1、PD0位来实现）模式。与SPI/QSPI/MICROWIRE接口兼容。23MAX1148的引脚功能应用MAX1148采用14位逐次逼近寄存器（SAR）和输入跟踪/保持（T/H）电路，实现将模拟信号转换成14位数字信号，并用串行方式输出的功能，其内部结构（如图1所示），下面是外部结构机器引脚（如图2所示）的介绍。MAX1148采用20引脚的功能如下CH0CH718模拟输入端。COM9公共输入端。单端模式下为模拟负输入。单极性和双极性模式下，当转换器输入不为0，而希望转换结果为0时，需在该端输入相应模拟电压。SHDN（10）关断输入，低电平有效。当SHDN置低时，转换器进入硬关断模式，转换立即中止。REF（11）内部基准电压输出或外部基准电压输入，它是模数转换的基准电压。该电压决定了ADC输入范围和满量程输出值。MAX1148含有一个内部125V带隙基准，通过一个2K电阻接至基准缓冲器并引至REFADJ引脚。由于MAX1148的基准缓冲器具有3277V/V的增益，所以基准缓冲器输出引脚REF直的电压为4096V，作为内部基准电压使用。如果使用外部基准电压，则有两种使用方式（1）禁止内部基准缓冲（将REFADJ端与VDD端直接相连，将外部基准电压15V至VDD50MV，输出电流大于210A接至REF端即可如图3所示。2将外部基准电压连至REFADJ端，通过内部基准缓冲器，在REF引脚得到图1MAX1148的内部结构框图图2MAX1148的引脚排列幅度为外部基准电压乘以基准缓冲器增益3277后的SARADC基准电压如图4所示需要注意的是，在REF引测得的基准电压值必须在15V至VDD50MV之间。REFADJ12带隙基准输出和基准缓冲器输入。REFADJ连至VDD时禁止内部带隙基准和基准缓冲放大器，其用法如前所述。AGND13模拟地。DGND14数字地。DOIJT15串行数据输出。CS置低时，数据在SCLK下降沿同步输出。CS置高时，DOUT为高阻态。SSTRB16串行触发输出，反映了ADC转换状态。在内部时钟模式下，ADC转换开始时，SSTRB由高变低，转换完成后，SSTRB由低变高并保持两个SCLK时钟周期为高电平。从第三个SCLK时钟周期开始，DOUT输出转换结果。在外部时钟模式下，ADC转换开始时，SSTRB由低变高并保持两个SCLK时钟周期的高电平。从第三个SCLK时钟周期开始，在进行ADC转换的同时，DOUT输出转换结果。置高时，SSTRB为高阻。DIN17串行数据输入，用于输入控制字。CS置低时，数据在SCLK上升沿同步输入。CS置高时，DIN为高阻态。CS18片选输入，低电平有效。只有CS置低时，数据才可同步输入DIN或输出DOUT。SCLK19串行时钟输入，是数据同步输入或输出的移位信号。在外部时钟模式下，无论是SCLK还是ADC转换时钟都决定了转换速率SCLK的占空比必须在40至60之间。VDD20电源输入。用01F电容器接至AGND。图3REF连至外部基准图4基准调节电路24控制字模式在启动MAXLL48进行AD转换之前必须先由SCLK将控制字从DIN端送入其内部输入移位寄存器，以决定其工作模式并启动转换。25时钟模式MAXLL48可用外部串行时钟或内部时钟两种模式来完成逐次逼近转换。但是，不管哪种模式，数据的移人和移出都要由外部时钟SCLK来完成。在外部时钟模式下，通过外部时钟SCLK控制数据的移入和移出，同时SCLK还是模数转换时钟。在控制字的最后一位移入后，SSTRB由低变高并在保持两个SCLK时钟周期的高电平后变低。其后14个SCLK的每一个下降沿决定逐次逼近转换结果每位的值，并在DOUT端输出。需要注意的是，每次模数转换都必须在较短时间内完成，以避免采样保持电容器上的压降对转换结果带来的影响。如果外部串行时钟SCLK的频率低于100KHZ。或者由于串行时钟的不连续使得转换时间超过140S，建议使用内部时钟模式。在内部时钟模式时，MAXLL48自身产生转换时钟，并允许微处理器以小于21MHZ的时钟频率读取转换结果。在控制字的最后一位移入后，SSTRB由高变低，待转换完成后由低变高，完成一次转换的时间最长为80S。在整个转换期间，为了得到最佳的噪声性能，SCLK应保持低电平。在SSTRB变为高电平之后,从第二个SCLK开始的每一个SCLK下降沿，在DOUT端由高到低依次输出转换结果的各位的值。三、具体设计皮带秤现如今已经不是那么罕见，但在精度要求就那么几个等级寥寥无几，今天我们设计的这一款产品主要就是高精度，其精度要求将达到1/1000，这与高精度皮带秤的每个环节的高精度计算脱不了关系，在这我们主要设计的是模数转换环节的精度，我们将用型号为MAX1148的AD转换来实现这一精度。我们将运用MAX1148的内部时钟模式来实现这一精度，其与单片机最小应用系统的链接如图3所示，将单片机在称体独读到的模拟信号发给MAX1148将其转换后供PLC以及显示系统使用。31硬件设备的选用单片机选AT89C51，控制界面选用昆仑通态研发的TPC7062KS人机界面，显示选用单片机驱动的OLED双色显示屏，称重传感器选用SQBA105T悬臂梁式称重传感器，数模转换选用MAX1148数模转换器，根据前面的介绍完全可以得知MAX1148能实现这一精度的设计。32AD转换过程MAXLL48在时钟脉冲的作用下进行逐次逼近式AD转换，一般每24个时钟周期完成一次转换和读出操作。内部时钟模式与外部时钟模式的时序如图5、图6所示。AD转换速度要求不是很高时，常选用内部时钟模式。现以内部时钟模式为例说明MAXLL48的工作过程首先根据系统要求确定MAXLL48的控制字，例如，需转换0通道的单端单极性模拟量，控制字为8EH。然后向MAXLL48输入控制字并读取转换结果，其步骤为1使片选端CS变为低电平并保持不变，此时DOUT处于低电平，SSTRB处于高电平；2在DIN输入端由高到低依次输入控制字各位的值。具体做法是首先使DIN端为高电平输入“L”，在第一个SCLK的上升沿将DIN的第一位数据“L”移入内部移位寄存器中。即移入START开始位以此类推，在后面7个SCIJK的上升沿分别将输入DIN端的控制字其他位移入内部移位寄存器中；3当控制字的最后一位数据被移入之后第8个SCLK的下降沿，转换开始，SSTRB由高变低；4经TCONV之后，AD转换结束，SSTRB由低变高。5在转换结束后的任何时刻，通过SCLK时钟将移位寄存器中的转换结果14位二进制数由DOUT端同步移出。具体做法是从SSTRB置高后的第二个SCLK时钟的下降沿开始，利用SCLK时钟逐一将转换后的结果从DOUT端移出，最高有效位在前。、33MAXLL48的应用MAXLL48通过DIN、DOUT、SCLK、SSTRB和CS5个信号与微处理器连接，其中，SSTRB是反映ADC转换状态的标志可以用查询方式和中断方式监视此信号，以决定何时读取转换结果。如果是外部时钟模式或内部时钟模式中的软件延时，此信号可以空置不用。MAXLL48与8位微处理器的典型连接如图7所示。图7MAX1148与8051单片机的接口图图5内部时钟模式的工作时序（24个时钟周期）图6外部时钟模式的工作时序（24个时钟周期）下面给出内部时钟模式下完整的转换和控制程序转换结果在30H和31H中，以供参考STARTCLRP13；SCLK为低电平CLRP10；片选有效MOVA,LXXXXXL0B；控制字送AMOVR1,08H；输入控制字位数LPLMOVC，ACC7；取控制字并送至DIN端口MOVP11，CSETBP13；DIN端口数据移入内部移位寄存器CLRP13RLA；控制字移位DJNZR1，LPLLP2JNBP14，LP2；检测SSTRB，等待转换结束SETBP13CLRP13CLRAMOVR1，06H；读入高6位数据LP3RLASETBP13CLRP13MOVC，P12MOVACC0，CDJNZR1，LP3MOV30H,AMOVR1，08H；读入低8位数据LP4RLASETBP13CLRP13MOVC,P12MOVACC0,CDJNZR1，LP4MOV31H,ASTAYSJMPSTAYEND外部时钟模式编程与内部时钟模式基本相似，只需把控制字改为1XXXXXLLB，并删除上述程序中标号为U2的程序行即可。四、总结本设计以称重原理为基础，详细的介绍了新型高精度电子皮带秤的模数转换设计。其中以MAX1148为主原件；选用SQBA1称重传感器，确保了皮带秤的稳定性能和计量精度；同时根据系统的工作效率，故选用AD521型集成运算放大器；而MAX1148A/D转换器又具有高速、高精度、低功耗的特点；最后将称重结果显示于T