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0 、引言

小量程高精度電子稱重系統(tǒng)在許多行業(yè) （如生物制藥、珠寶交易、化學(xué)分析等）都有重要的應(yīng)用。 傳統(tǒng)上高精度電子稱重系統(tǒng)的設(shè)計是將稱重傳感器電橋上產(chǎn)生的微弱信號經(jīng)濾波放大調(diào)理后接入 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)單片機(jī)處理后得到測量結(jié)果。 這種方法會有一個敝病即調(diào)理電路中的分立元器件由于溫度漂移引起的誤差， 也會通過增益電路被放大，從而影響測量精度 [1] 。 如何降低誤差、提高精度是學(xué)術(shù)界與工業(yè)界共同關(guān)注的難點。 近幾年發(fā)展起來的高精度 Σ-Δ轉(zhuǎn)換器很大程度上簡化了電橋信號的調(diào)理電路。 如AD7799 就是其中一款由美國某公司 （ ADI ）最近推出的 Σ-Δ 型 3 通道、高精度、寬動態(tài)范圍的 24 位ADC ，適用于低頻、 高精度工業(yè)級轉(zhuǎn)換。 其內(nèi)置 1 一128 倍增益的低噪聲可編程放大器 (PGA) ，可直接同稱重傳感器相連，放大自稱重傳感器傳來的微弱電信號，對于低速應(yīng)用中的電阻電橋測量提供了一個完美的解決方案 [2] 。 本文介紹了采用高品質(zhì)的 Vishay 稱重傳感器與 24 位高精度 A／D 轉(zhuǎn)換器 AD7799 的小量程電子稱重系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)方法。 該裝置的稱重范圍是0.3 - 3kg, 稱重精度最高可達(dá) 0.0001％( 萬分之一 ) 。 并詳細(xì)論述了比率測量工作原理， 硬件電路抗干擾設(shè)計和數(shù)據(jù)濾波處理等技術(shù)。 另外系統(tǒng)結(jié)合利用 PC 機(jī)強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力， 能實時對信號進(jìn)行噪聲處理并顯示測量結(jié)果， 用戶可以方便地在視窗軟件中對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置與操作，提高了儀器智能化水平。 

1 、系統(tǒng)組成及原理

電子稱重系統(tǒng)由稱重傳感器、 A／D 轉(zhuǎn)換器、 MCU 處理器、基準(zhǔn)電壓源、 PC 機(jī)五個功能模塊組成。 電子稱重系統(tǒng)組成框圖如圖 1 所示。 電子稱重系統(tǒng)的工作原理是將作用在承載器上物體的質(zhì)量 ，通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換為電信號， 信號經(jīng)過濾波后送入 AD7799 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行放大處理并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。在單片機(jī)系統(tǒng)中，對采樣方式和采樣結(jié)果進(jìn)行控制和處理。 單片機(jī)將采樣得到的數(shù)據(jù)通過 RS232 串行口傳送給 PC 機(jī)， PC 機(jī)上的應(yīng)用軟件對信號作進(jìn)一步處理，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。通過界面友好，操作方便的視窗軟件設(shè)計，最終實現(xiàn)稱重系統(tǒng)各項功能要求。

2 、系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 稱重傳感器與 AD7799 轉(zhuǎn)換器

本系統(tǒng)使用臺灣某公司性能優(yōu)異的電阻應(yīng)變式稱重傳感器。 根據(jù)電阻應(yīng)變式傳感器原理，它的四個應(yīng)變片構(gòu)成全橋電路，在重物（或外力）作用下，彈性應(yīng)變片發(fā)生形變，使附著其上的電阻阻值發(fā)生變化。引起的電阻變化可產(chǎn)生一個疊加在共模電壓之上的差分電壓。由于電橋輸入的是恒定電壓，輸出的電壓與壓力成正比， 據(jù)此實現(xiàn)重量測量。 該傳感器 量 程 為 0.3-3kg ， 電靈敏度為 2 mV／V ， 非線性誤差小于 0.0063%FS. 。 當(dāng)采用 5V 激勵電源供電時， 其滿量程輸出為10mV 。 由于電橋輸出的電壓信號非常微弱且存在多種干擾信號， 需要先經(jīng)過濾波 , 消除干擾信號后送入AD7799 進(jìn)行放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換， 實現(xiàn)模擬量的數(shù)字化。圖 2 為稱重傳感器與 AD7799 的接 口電路簡圖。 為達(dá)到高精度設(shè)計要求， AD 轉(zhuǎn)換器選擇非常關(guān)鍵。 本系統(tǒng)采用美國某公司（ ADI ）推出的 Σ-Δ型 24 位轉(zhuǎn)換器 AD7799 。 AD7799 是一款高性能的 A／D 轉(zhuǎn)換芯片，其 RMS 噪聲（有效值噪聲），在 4.13HZ 轉(zhuǎn)換率下僅為 27nV ，在 16.7HZ 轉(zhuǎn)換率下為 65nv 。 芯片內(nèi)部有一個極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器 , 可進(jìn)行 1 一 128倍增益編程放大，可直接同稱重傳感器相連，放大自稱重傳感器傳來的微弱電信號 [1] 。同時它具有極低非線性度 :0.0015%, 50 Hz 和 60Hz 同步陷波，能消除 50Hz 和60Hz 電源干擾。 AD7799 帶有校準(zhǔn)功能 , 可進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn) , 能有效消除系統(tǒng)通道產(chǎn)生的增益誤差和偏移誤差。

2.2 比率式測量原理

電子稱重系統(tǒng)的電阻應(yīng)變式傳感器一般采用全橋式等臂電橋，在電橋測量線路中，電橋的激勵電壓影響稱重傳感器的輸出精度。 供橋電壓的不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致測量結(jié)果的誤差，為解決這一問題，目前在電子稱重系統(tǒng)的設(shè)計中一般采用比率式測量方法 （將稱重系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓同時用作傳感器的供橋激勵電壓） [3] 。 由于供橋電壓是由測量儀器的基準(zhǔn)電壓分壓得到， 供橋電壓與激勵電壓成一比例關(guān)系。采用比率式測量方式即使電橋激勵電壓產(chǎn)生變化也不會對測量精度產(chǎn)生影響[3] 。另外比率式測量方式還可以消除檢測電路中的溫漂和低頻噪聲對輸出精度的影響， 所以本系統(tǒng)設(shè)計采用比率式測量。

2.3 單片機(jī)與 AD7799 接口電路設(shè)計

單片機(jī)使用某公司的 Z8F6423 ， eZ8 CPU 的主頻達(dá) 20 MHz，有64KB 的主存，基本滿足設(shè)計要求。 AD7799 采用四線制 SPI 通訊方式（數(shù)據(jù)輸入線 DIN 、數(shù)據(jù)輸出線DOUT 、時鐘信號線 SCLK 、片選線 CS ）。 AD7799 SPI 通訊方式設(shè)置為從模式。 圖中 ADC_SCLK 和ADC_DIN 、ADC_DOUT 、 ADC_CS0 與 Z8F6423 單片機(jī)的相應(yīng) I/O口相連。 在 SPI 通信過程中，單片機(jī)對 AD7799 發(fā)送各種操作指令， 數(shù)據(jù)可被同步地接收和發(fā)送。 通過對AD7799 的片內(nèi) 24 位數(shù)據(jù)寄存器的進(jìn)行采集， 實現(xiàn)模擬信號向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。

2.4 電路抗干擾設(shè)計

由于稱重系統(tǒng)的高精度性 ， 系統(tǒng)的抗干擾性設(shè)計非常重要。 在電路設(shè)計方面， 除了設(shè)計好信號調(diào)理電路， 還需要注意 AD7799 的參考電壓以及稱重傳感器的供電電壓的穩(wěn)定性 ，電壓的穩(wěn)定性直接影響著 A／D測量值的精確性。本系統(tǒng)采用單獨一套 5 V 電源供電。對輸入的電流再多次使用 ADR421 芯片進(jìn)行穩(wěn)壓處理。 另外印刷電路板 (PCB) 的布線對于抑制噪聲也非常關(guān)鍵。最重要的是接地和電源退耦。在本設(shè)計中所有地線放在同一層電路板， 盡可能減少地線阻抗。 使用0.1uF 的瓷片電容和 10uF 的鉭電容對 AVDD 和 DVDD電源進(jìn)行去耦， 這兩個電容器都應(yīng)放在盡可能靠近AD7799 的地方。 數(shù)字電路和模擬電路盡可能分開，數(shù)字電路區(qū)、模擬電路區(qū)避免相互交疊。數(shù)字電路不要穿越模擬地，以免噪聲偶合到模擬地上。元件要盡可能多放地線，信號線盡可能走焊盤面。另外單片機(jī)數(shù)字輸出線存在高頻噪聲， 直接與 AD 相連會把噪聲引入 AD ，降低 AD 轉(zhuǎn)換器的精度， 所以系統(tǒng)采用數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離 [4] 。

3 、系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件濾波

軟件濾波算法不需增加硬件設(shè)備，使用靈活，功能多樣， 可靠性高具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點。 傳統(tǒng)的嵌入式電子稱重系統(tǒng)一般采用單片機(jī)處理采樣數(shù)據(jù)，受制于資源有限，很難進(jìn)行復(fù)雜的大數(shù)據(jù)量運算處理。為了提高測量結(jié)果的精確度，在本設(shè)計中不僅采用多種電路抗干擾設(shè)計而且還充分利用 PC 機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力， 對采集的數(shù)據(jù)使用多種軟件濾波算法，抑制干擾。 系統(tǒng)中可選擇的濾波算法有（ 1 ）中值濾波算法，（ 2 ）移動均值算法，（ 3 ）程序判斷濾波法（ 4 ）格拉布斯（ GRUBBS ）準(zhǔn)則算法 [5] 。 這些算法的使用，大大提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3.2 程序設(shè)計

稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為單片機(jī)數(shù)據(jù)采集部分和 PC 應(yīng)用軟件部分。 在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集部分編程中主要是對 AD7799 芯片編程。 AD779 使用 9 個片內(nèi)寄存器來控制 AD7799 的工作過程，而且其中有 7 個寄存器可以被直接讀寫。通過對相關(guān)寄存器的設(shè)置，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式、通道選擇、采樣周期、增益設(shè)置、校準(zhǔn)方式等功能 [6] 。需要注意的是所有對 AD7799 的操作必須先對通信寄存器的寫操作開始。通信寄存器中的數(shù)據(jù)決定對目標(biāo)寄存器進(jìn)行讀還是寫的操作，然后才能對目標(biāo)寄存器進(jìn)行操作。 由于 AD7799 是24 位轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定時間，為了得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，每次采樣時應(yīng)等轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)行，并且等待時間應(yīng)隨AD7799 采樣頻率的變化而有所不同。圖 4描述了 AD7799 測量系統(tǒng)的程序流程。

3.3 實驗分析

表 1 對整機(jī)做線性測試。 線性測試的步驟是選擇標(biāo)準(zhǔn)的測試砝碼在系統(tǒng)校準(zhǔn)的情況下，經(jīng)過七次測量，記錄結(jié)果，然后取 100g 向上疊加。 從測試結(jié)果看，系統(tǒng)性能符合設(shè)計要求

經(jīng)實驗及現(xiàn)場使用表明， 本稱重系統(tǒng)能夠滿足高精度、高穩(wěn)定性的要求。 本設(shè)計電路簡單、 功能強(qiáng)大、可靠性高、 使用靈活、 能滿足不同用戶的需要，其智能化的人機(jī)交互功能以及人性化的數(shù)據(jù)管理功能體現(xiàn)了當(dāng)前電子稱重儀的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 陳 偉 ，曾 榮 登 . 基于 C S 55 3 2 的高精度自動稱重系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用 2008,10:48-51

[5] 郟東耀，楊雷。數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)在 A／D 轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用 [J]半導(dǎo)體技術(shù)第， 2003 ， 8 （ 28 ）： 52-54

[6] 余晃晶 , 邱錦明 . 基于 AD7799 的高精度微電信號測試儀的設(shè)計與實現(xiàn) [J] 三明學(xué)院學(xué)報 ,2008,4 :144-148

 

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