單芯片便攜電子秤重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

引言

傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)秤重、測(cè)力、轉(zhuǎn)矩及壓力測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，廣泛采用全橋接電阻傳感器的方法。大多數(shù)橋接傳感器都要求較高的激勵(lì)電壓(通常為10 V)，同時(shí)輸出較低的滿量程差動(dòng)電壓，約為2 mV/V。傳感器的輸出通常由儀表放大器加以放大，經(jīng)過(guò)發(fā)大后的信號(hào)，再由高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進(jìn)行數(shù)字化，最后再用一個(gè)通用的MCU作進(jìn)一步處理與顯示。通常情況下，ADC并不集成在MCU中。這種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)滿量程的ADC輸入電壓，但橋接傳感器的激勵(lì)電壓高達(dá)10 V，功耗較大，而且使用的芯片數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。

現(xiàn)在，通過(guò)在MSP430F42x芯片中集成帶有差動(dòng)輸入的16位 - ADC和增益高達(dá)32的可編程增益放大器(PGA)，實(shí)現(xiàn)了單芯片秤重系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)只需用3 V電池供電，不但能效高，且成本低。此外系統(tǒng)還提供LCD驅(qū)動(dòng)器及掉電保護(hù)功能。

& nbsp; 硬件描述

MSP430F42x系列是基于快速閃存的超低功耗微控制器，片上集成了三個(gè)16位 - ADC(SD16)，這些ADC還帶有PGA，能夠?qū)魉蛠?lái)的信號(hào)放大最高32倍。橋接傳感器可以直接連接到微控制器上，圖1給出了該系統(tǒng)的電路圖。

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將全橋接傳感器負(fù)激勵(lì)信號(hào)連接至終端X1-1，正激勵(lì)信號(hào)連接至終端X1-4，由MSP430的端口引腳P2.0與P2.1供電。這樣，在測(cè)量期間或在電子秤工作于待機(jī)狀態(tài)的情況下，就可以不用電橋激勵(lì)電壓，從而降低功耗。傳感器的電橋電阻為1 200 (典型值)，電源電壓為3 V，激勵(lì)狀態(tài)下耗電2.5 mA。將橋接傳感器的輸出信號(hào)連接至X1-2與X1-3，通過(guò)兩個(gè)低通濾波器之后輸入SD16的輸入通道A0。

當(dāng)最大負(fù)載為10 kg時(shí)，全橋接傳感器具有2 mV/V的額定滿量程差動(dòng)輸出電壓。要使傳感器信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)1 g的精度，總共需要1萬(wàn)次計(jì)數(shù)，并顯示在LCD顯示屏上。如果橋接傳感器獲得3 V的激勵(lì)電壓，則滿量程輸出電壓為：3 V x 2 mV/V = 6 mV。也就是說(shuō)，1 g的重量轉(zhuǎn)換為電壓形式可等效為：6 mV / 10 kg x 1g = 0.6 V。為了實(shí)現(xiàn)1 g的測(cè)量精度，所用ADC的LSB電壓應(yīng)比上述小四倍，即 0.6 V / 4 = 0.15 V。

SD16可用內(nèi)置的1.2 V參考電壓工作，也可用外部連接的參考電壓工作。圖1中給出的是用外部電阻分壓器來(lái)提供參考電壓。由于橋接傳感器由相同電壓的電源供電，這樣做的好處是能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立于激勵(lì)電壓(VCC)的比例輸出原則。如果橋接傳感器由VCC供電而SD16模塊采用內(nèi)部參考電壓，那么測(cè)量結(jié)果就會(huì)隨VCC在電池使用壽命中的變動(dòng)而發(fā)生差異。當(dāng)電源電壓為3V時(shí)，使用圖1中所示的外部電阻分壓器得到的參考電壓為：

R9與R10的分壓比(divider ratio)R9/R10的選擇使生成的參考電壓保持在容許的VREF范圍內(nèi)，這時(shí)VCC從3 V下降至2.7 V。SD16 模塊的最小電源電壓為2.7 V。其詳細(xì)電壓范圍及其他參數(shù)，可參考MSP430F42x數(shù)據(jù)表(SLAS421)。SD16的參考電壓決定著滿量程差分輸入電壓，即VREF/2。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器為雙極，因此ADC的LSB電壓為：

該LSB值經(jīng)過(guò)最大增益為32的PGA后，電壓值可降至0.605 V。但該值比設(shè)計(jì)目標(biāo)值0.15 V仍然高出大約四倍，為此還需要將該值進(jìn)一步放大。為了不添加外部組件，可以采用更多的 SD16輸出位。SD16模塊內(nèi)部數(shù)字抽取濾波器能夠提供總共24位的訪問(wèn)?？蓪?shù)字濾波器輸出的額外兩位添加給16位轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將18位輸出信號(hào)進(jìn)行低通過(guò)濾(如進(jìn)行多結(jié)果平均)，這樣ADC的LSB電壓就可降至0.151 V。

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MSP430F427的片上LCD驅(qū)動(dòng)器可直接采用接口與一般的 LCD 模塊連接。在本應(yīng)用中采用了 SoftBaugh公司的4-mu 7.1數(shù)碼LCD—SBLCDA4。電阻器R5、R7與R8提供了LCD驅(qū)動(dòng)器模塊所用的電壓階梯。采用32 kHz的晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘參考，用于驅(qū)動(dòng)LCD并在應(yīng)用工作過(guò)程中周期性地從低功耗模式喚醒。此外，系統(tǒng)還為電子秤操作提供了連接至P1.0的按鈕(SW1)。

軟件描述

MSP430F427 單芯片秤重軟件有C語(yǔ)言(F42x_Weigh_ Scale.c)與匯編語(yǔ)言(F42x_Weigh_Scale.s43)兩種版本。兩種源代碼功能相同，但匯編語(yǔ)言版本更小。上電復(fù)位時(shí)，MSP430首先進(jìn)行外設(shè)初始化，包括禁用看門狗定時(shí)器，配置LFXT1振蕩器負(fù)載電容用于外部晶振，初始化LCD控制器、基本定時(shí)器及SD16轉(zhuǎn)換器模塊。SD16的0通道經(jīng)過(guò)配置，采用雙輸入通道(channel pair)A0，并用SD16模塊內(nèi)部PGA放大信號(hào)達(dá)32倍增益。轉(zhuǎn)換器由SMCLK計(jì)時(shí)，頻率為1 048 567 Hz，并啟用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。關(guān)于SD16操作的詳細(xì)信息可參考MSP430x4xx系列用戶指南(SLAU056)。圖2為軟件主流程圖。

在源代碼中，將兩個(gè)32位字CalMin與CalMax分配到MSP430閃存段A以便保存校驗(yàn)數(shù)據(jù)。上電后，軟件檢查上述常量是否具備有效值。如果兩個(gè)位置都包含相同的值(如設(shè)備編程后的 0xffffffff)，校驗(yàn)?zāi)Ｊ絼t被激活，否則進(jìn)入測(cè)量模式。變量ProgramMode用于跟蹤當(dāng)前程序狀態(tài)(測(cè)量模式、校驗(yàn)?zāi)Ｊ?、斷電模?并作出相應(yīng)設(shè)置。

隨后，MSP430進(jìn)入低功耗模式LPM0，啟用中斷。LPM0作為SMCLK驅(qū)動(dòng)SD16，在應(yīng)用有效運(yùn)行且采集ADC數(shù)據(jù)時(shí)不得關(guān)閉。此后，整個(gè)程序流程由中斷驅(qū)動(dòng)，共啟用三個(gè)中斷源?；居?jì)時(shí)器ISR每0.5秒執(zhí)行一次，主要用于觸發(fā)測(cè)量進(jìn)程的啟動(dòng)(見圖3)，端口1 ISR用于處理按鈕事件，每次 A/D 轉(zhuǎn)換后，調(diào)用SD16 ISR來(lái)處理結(jié)果(見圖4)。

在校驗(yàn)?zāi)Ｊ街锌色@得兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。變量CalMin用于存儲(chǔ)A/D結(jié)果，其顯示值等于0 g，而CalMax存儲(chǔ)的A/D結(jié)果顯示值為10 000 g。CAL LO或CAL HI顯示出的數(shù)據(jù)用來(lái)說(shuō)明哪個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)正被處理。按下按鈕SW1后，當(dāng)前SD16的轉(zhuǎn)換結(jié)果被讀取并存儲(chǔ)到臨時(shí)變量中。校驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)內(nèi)的自動(dòng)編程將這兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)編入INFOA快閃信息存儲(chǔ)器段，這時(shí)軟件進(jìn)入測(cè)量模式。

至此，SD16轉(zhuǎn)換進(jìn)程每0.5秒啟動(dòng)一次，由基本定時(shí)器ISR定時(shí)。轉(zhuǎn)換中，橋接傳感器上電，DCO 啟用。這時(shí)MSP430在LPM0模式下運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)所需的精度，軟件采用低通濾波器，采集多個(gè)18位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并進(jìn)行累加。每次轉(zhuǎn)換后，SD16 ISR按照SD16采樣率(4 kHz)執(zhí)行。在采集實(shí)際數(shù)據(jù)前，反變量VoltageSettleCtr逐漸減小為0，這就使電壓能在橋接傳感器上電后12毫秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。SD16 ISR采集了256個(gè)結(jié)果之后，用累加和除以256，得到最后的18位結(jié)果。上述過(guò)程也可形容為采樣數(shù)據(jù)由256到1的抽選。包括電壓穩(wěn)定時(shí)間在內(nèi)，SD16模塊每0.5秒鐘運(yùn)行約75毫秒。

隨后，將該18位的計(jì)算結(jié)果與此前的值進(jìn)行比較。僅當(dāng)值變化時(shí)才計(jì)算新的顯示值并更新顯示。這就能夠避免不必要的32位整數(shù)乘法及除法。

為了將 A/D的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為實(shí)際的物理重量值，系統(tǒng)使用了兩點(diǎn)校驗(yàn)機(jī)制。顯示值根據(jù)以下公式計(jì)算：

從CalMax到CalMin的范圍反映到從0到CAL_MIN_MAX_SPAN的范圍。CAL_MIN_MAX_SPAN 默認(rèn)設(shè)置為10 000，等于橋接傳感器的最大機(jī)械負(fù)載10 kg。需注意：由于施加給SD16模塊的差動(dòng)信號(hào)的緣故，18位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是帶符號(hào)的，整個(gè)程序中都使用帶符號(hào)的代數(shù)算法。這樣，也可顯示出負(fù)的重量值。測(cè)量結(jié)束之后，SD16模塊禁用，DCO在退出時(shí)進(jìn)入LPM3關(guān)閉模式，而橋接傳感器則斷電以降低電流消耗。

只要按下按鈕SW1會(huì)立即使轉(zhuǎn)換失效，關(guān)閉LCD顯示屏并進(jìn)入LPM3模式。在這種模式下，應(yīng)用電路吸收的電流不到1 A，而32 kHz的振蕩器仍然運(yùn)行。如果需要的話，也可進(jìn)入LPM4模式來(lái)進(jìn)一步降低電流消耗。再次按下按鈕SW1，應(yīng)用便恢復(fù)正常的工作。在這種模式下，SD16模塊每0.5秒鐘約運(yùn)行75毫秒，得出新的計(jì)算結(jié)果后，顯示屏也隨之更新。在此期間，MSP430消耗的電流約1 mA。橋接傳感器的激勵(lì)及參考電壓的生成在此期間還需要3 mA的額外電流。在測(cè)量間隙內(nèi)，MSP430消耗電流約3 A，其中包括了LCD驅(qū)動(dòng)器用于顯示計(jì)算結(jié)果的電流。因此，總的平均應(yīng)用電流消耗量在正常工作期間為600 A。若想在任何時(shí)間內(nèi)重新進(jìn)入校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，只需按下按鈕SW1至少5秒鐘即可實(shí)現(xiàn)。