24位A／D轉(zhuǎn)換稱重?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：研究一種用于組合秤和選別秤的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用具有24位分辨率的∑－△模數(shù)轉(zhuǎn)換器高性能片上系統(tǒng)(SoC)MSC1210和應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計(jì)稱重?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于組合稱重設(shè)備、選別設(shè)備，并具有精度較高，可靠性較強(qiáng)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；稱重；選別；組合稱重；24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；MSC1210

1 引言
    組合秤又稱選擇組合衡器，它是由多個(gè)獨(dú)立的進(jìn)料出料結(jié)構(gòu)的稱量單元組成，電腦利用排組合原理對(duì)稱量單元的載荷量自動(dòng)優(yōu)選組合計(jì)算出最佳、最接近目標(biāo)重量值的重量組合進(jìn)行包裝。選別秤是檢測單個(gè)產(chǎn)品重量與設(shè)定目標(biāo)是否相符，并由分選裝置自動(dòng)剔除不合標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的包裝行業(yè)設(shè)備。從實(shí)用角度出發(fā)，采用具有24位∑－△型A／D轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)MSC1210結(jié)合低成本的供電解決方案與CAN控制器SJA1000以及CAN總線收發(fā)器82C250，設(shè)計(jì)一種具有CAN總線接口的24位稱重數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可應(yīng)用于組合稱重設(shè)備、選別設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)硬件采用系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)MSC1210直接采集傳感器信號(hào)。由稱重傳感器產(chǎn)生的電壓輸入信號(hào)采用差分輸入方式，由濾波電路直接接到MSC1210的AIN0、AIN1，經(jīng)MSC1210內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)，然后將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CAN協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸至CAN總線網(wǎng)絡(luò)，再由觸摸屏處理數(shù)據(jù)。MSC1210內(nèi)置有溫度傳感器，便于后期數(shù)據(jù)校正，采集測量環(huán)境溫度。

2．1 供電電壓
    A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)大小僅取決于輸入電壓V0大小，A/D轉(zhuǎn)換精度取決于參考電壓V0的穩(wěn)定性。V0、VREF必須取同一電源，電源波動(dòng)相互抵消，對(duì)A／D轉(zhuǎn)換無影響。該稱重傳感器最小激勵(lì)電壓為5 V，最小激勵(lì)電流為25 mA。MSC1210提供的內(nèi)部參考電壓不足以驅(qū)動(dòng)傳感器，因此選擇外部輸入?yún)⒖茧妷?，同時(shí)關(guān)閉內(nèi)部參考電壓以減小噪聲干擾和功率損耗。
    基于上述原因，綜合成本考慮，選用低壓差線性穩(wěn)壓器LP2591提供5 V用以激勵(lì)傳感器，通過高精度電阻網(wǎng)絡(luò)分壓成2．5 V供給MSC1210作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電源。
    LP2951屬精密型低壓差線性穩(wěn)壓器，初始精度0．5％，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率可達(dá)0．05％，具有低靜態(tài)電流(≤8 mA)、低壓差、低溫度系數(shù)(20×10-6/℃)等特點(diǎn)。輕載時(shí)的壓差為50 mV；當(dāng)其為100 mA負(fù)載時(shí)壓差為380 mV。最大輸出電流為100 mA。
    集成的各個(gè)電阻具有參數(shù)、性能、受環(huán)境影響一致的特點(diǎn)，外界對(duì)其干擾(如電源變化、溫度變化)能在分壓比中相互抵消。采用并聯(lián)電阻的分壓電路有助于減小溫漂，提高穩(wěn)定性。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換器
    高精度數(shù)據(jù)采集核心在于A／D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)指標(biāo)。即量程、有效分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間等。
    MSC1210通過可編程增益放大器(PGA)和偏移D／A轉(zhuǎn)換器(ODAC)改變量程以增加輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。MSC1210通過改變本身的PGA來改變量程以適應(yīng)不同的傳感器輸入電壓。如果AIN0作為同相差分輸入通道，其他任何一個(gè)通道都可作為反相差分輸入通道。這里選擇AIN0、AIN1作為輸入傳感器輸入電壓的前向通道。PGA的模擬輸入通過ODAC最多被偏置到輸入范圍的一半，由于ODAC引入了模擬偏置量而非數(shù)字量到PGA，所以使用ODAC不會(huì)降低A／D轉(zhuǎn)換器的性能。
    該系統(tǒng)要求輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為0～4 000 g，最小輸入分辨率為0．1 g，同時(shí)根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換器線性輸入、輸出特性，A／D轉(zhuǎn)換器滿量程電壓與所分辨最小電壓的比值和相應(yīng)重量輸出比值相等。系統(tǒng)必須保證最終測量結(jié)果具有16位的精度?？紤]系統(tǒng)電源電壓漂移、溫度漂移等其他因素，因此要求A／D轉(zhuǎn)換至少應(yīng)達(dá)到18 bit的實(shí)際轉(zhuǎn)換精度。因此，MSC1210能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
2．3 溫度測量
    MSC1210內(nèi)置溫度傳感器便于后期數(shù)據(jù)校正，采集測量環(huán)境的溫度。由于其內(nèi)部二極管提供溫度傳感功能，當(dāng)輸入多路復(fù)用器的設(shè)置寄存器所有位都為1時(shí)，二極管就連到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端，所有通道打開。
2．4 CAN總線數(shù)據(jù)通訊
    SJA1000的AD0～AD7連接到MSC1210的P0端口，CS連接到MSC1210的引腳P2_7。P2_7引腳為0時(shí)，CPU片外存儲(chǔ)器地址選中SJA1000，CPU通過這些地址對(duì)SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀／寫操作。SJA1000的RD、WR、ALE分別與MSC1210的對(duì)應(yīng)引腳相連，INT引腳接MSC1210的INT0，MSC1210可通過中斷方式訪問SJA1000。
    為增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過高速光耦6N137與82C250相連，這樣就實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。采用小功率電源隔離模塊B05-05S將光耦部分的兩個(gè)電源完全隔離。通過隔離提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性，如圖2所示。

    傳感器電壓輸出信號(hào)經(jīng)過濾波后直接接MSC1210的AIN0，AIN1；MSC1210內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓為LP2951，輸出電壓經(jīng)精密電阻網(wǎng)絡(luò)分壓得到，如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    單片機(jī)采集A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并通過CAN協(xié)議發(fā)給CAN網(wǎng)絡(luò)，傳輸數(shù)據(jù)，在觸摸屏上編制軟件系統(tǒng)接收和存儲(chǔ)采集到的稱重傳感器輸出的電壓數(shù)據(jù)，軟件工作的重點(diǎn)包括數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)采集兩部分。
3．1 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)
    為降低器件和系統(tǒng)的偏移誤差和增益誤差，需要采用校準(zhǔn)方法。MSC1210或整個(gè)系統(tǒng)的偏移、增益誤差可以通過校正來減少影響。
    校正功能ADCCON1寄存器(SFR DDH)的CAL2～0位控制每個(gè)校準(zhǔn)過程需7個(gè)tDATA周期，因此，完成偏移和增益校準(zhǔn)需要14個(gè)rDATA周期。在校準(zhǔn)完成后，當(dāng)中斷允許時(shí)，會(huì)產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換中斷。校正完成以后A／D轉(zhuǎn)換器中斷位置為1，表示校正結(jié)束可以讀取有效數(shù)據(jù)，相關(guān)程序代碼如下：
    ADCON1=0X01； //初始化增益和偏移自校準(zhǔn)
    while(!(AISTAT&0X20))； ／／等待中斷觸發(fā)
3．2 數(shù)據(jù)采集
    采用臺(tái)達(dá)DOP人機(jī)界面軟件ScreenEditor開發(fā)平臺(tái)，編制數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)，使用CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與下位機(jī)通訊，進(jìn)行稱重?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，具體應(yīng)用于稱重系統(tǒng)采集測試系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集界面如圖5所示。
3．3 提高精度采取的其他措施
    為保證得到一個(gè)高精度的測試系統(tǒng)，除了使用高精度A/D轉(zhuǎn)換器外，系統(tǒng)中的其他模塊設(shè)計(jì)也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)精度有很大的影響。
    (1)傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，要獲得可靠的數(shù)據(jù)源就要注意電阻式應(yīng)變傳感器的安裝方式，傳感器的底座安裝面應(yīng)平整、整潔，無任何油膜、膠膜等存在。安裝底座要求高于傳感器本身的強(qiáng)度和剛度。安裝底座的安裝面要用水平儀調(diào)整水平。安裝時(shí)不能采用普通平墊圈，應(yīng)使用彈簧墊圈。在給傳感器加載受力時(shí)，要按傳感器加載受力方向加載，避免橫向或附加扭矩力。
    (2)數(shù)字器件和模擬器件獨(dú)立供電，對(duì)電源進(jìn)行穩(wěn)壓，并加濾波電路，以免電源噪聲對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。為防止傳導(dǎo)型高頻電磁干擾，在傳感器信號(hào)輸出端及電源線上加屏蔽珠。在PCB布線時(shí)應(yīng)盡量將數(shù)字部分和模擬部分隔離，數(shù)字地與模擬地隔離。
    系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，測量結(jié)果滿足精度要求，顯示分辨率為1／40 000。數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間小于1 s。

4 結(jié)束語
    該CAN總線的稱重?cái)?shù)據(jù)采集方案適用于組合稱重或選別稱重的環(huán)境下對(duì)稱重傳感器信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，經(jīng)工廠環(huán)境的實(shí)踐檢驗(yàn)，證明系統(tǒng)能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，具有較好的應(yīng)用前景，同時(shí)也可運(yùn)用在車輛稱重系統(tǒng)。