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0 、引言

小量程高精度電子稱(chēng)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(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是將稱(chēng)重傳感器電橋上產(chǎn)生的微弱信號(hào)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(cè)量結(jié)果。 這種方法會(huì)有一個(gè)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(huì)通過(guò)增益電路被放大，從而影響測(cè)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(diǎn)。 近幾年發(fā)展起來(lái)的高精度 Σ-Δ轉(zhuǎn)換器很大程度上簡(jiǎn)化了電橋信號(hào)的調(diào)理電路。 如AD7799 就是其中一款由美國(guó)某公司 （ ADI ）最近推出的 Σ-Δ 型 3 通道、高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的 24 位ADC ，適用于低頻、 高精度工業(yè)級(jí)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(chēng)重傳感器相連，放大自稱(chēng)重傳感器傳來(lái)的微弱電信號(hào)，對(duì)于低速應(yīng)用中的電阻電橋測(cè)量提供了一個(gè)完美的解決方案 [2] 。 本文介紹了采用高品質(zhì)的 Vishay 稱(chēng)重傳感器與 24 位高精度 A／D 轉(zhuǎn)換器 AD7799 的小量程電子稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。 該裝置的稱(chēng)重范圍是0.3 - 3kg, 稱(chēng)重精度最高可達(dá) 0.0001％( 萬(wàn)分之一 ) 。 并詳細(xì)論述了比率測(cè)量工作原理， 硬件電路抗干擾設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行噪聲處理并顯示測(cè)量結(jié)果， 用戶(hù)可以方便地在視窗軟件中對(duì)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(chēng)重系統(tǒng)由稱(chēng)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(gè)功能模塊組成。 電子稱(chēng)重系統(tǒng)組成框圖如圖 1 所示。 電子稱(chēng)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(guò)稱(chēng)重傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 信號(hào)經(jīng)過(guò)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(duì)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(guò) RS232 串行口傳送給 PC 機(jī)， PC 機(jī)上的應(yīng)用軟件對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步處理，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。通過(guò)界面友好，操作方便的視窗軟件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重系統(tǒng)各項(xiàng)功能要求。

2 、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 稱(chēng)重傳感器與 AD7799 轉(zhuǎn)換器

本系統(tǒng)使用臺(tái)灣某公司性能優(yōu)異的電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器。 根據(jù)電阻應(yīng)變式傳感器原理，它的四個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)重量測(cè)量。 該傳感器 量 程 為 0.3-3kg ， 電靈敏度為 2 mV／V ， 非線(xiàn)性誤差小于 0.0063%FS. 。 當(dāng)采用 5V 激勵(lì)電源供電時(shí)， 其滿(mǎn)量程輸出為10mV 。 由于電橋輸出的電壓信號(hào)非常微弱且存在多種干擾信號(hào)， 需要先經(jīng)過(guò)濾波 , 消除干擾信號(hào)后送入AD7799 進(jìn)行放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換， 實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字化。圖 2 為稱(chēng)重傳感器與 AD7799 的接 口電路簡(jiǎn)圖。 為達(dá)到高精度設(shè)計(jì)要求， AD 轉(zhuǎn)換器選擇非常關(guān)鍵。 本系統(tǒng)采用美國(guó)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(gè)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(chēng)重傳感器相連，放大自稱(chēng)重傳感器傳來(lái)的微弱電信號(hào) [1] 。同時(shí)它具有極低非線(xiàn)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(cè)量原理

電子稱(chēng)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(cè)量線(xiàn)路中，電橋的激勵(lì)電壓影響稱(chēng)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(cè)量結(jié)果的誤差，為解決這一問(wèn)題，目前在電子稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中一般采用比率式測(cè)量方法 （將稱(chēng)重系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓同時(shí)用作傳感器的供橋激勵(lì)電壓） [3] 。 由于供橋電壓是由測(cè)量?jī)x器的基準(zhǔn)電壓分壓得到， 供橋電壓與激勵(lì)電壓成一比例關(guān)系。采用比率式測(cè)量方式即使電橋激勵(lì)電壓產(chǎn)生變化也不會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響[3] 。另外比率式測(cè)量方式還可以消除檢測(cè)電路中的溫漂和低頻噪聲對(duì)輸出精度的影響， 所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用比率式測(cè)量。

2.3 單片機(jī)與 AD7799 接口電路設(shè)計(jì)

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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 AD7799 采用四線(xiàn)制 SPI 通訊方式（數(shù)據(jù)輸入線(xiàn) DIN 、數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)DOUT 、時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn) SCLK 、片選線(xiàn) 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(guò)程中，單片機(jī)對(duì) 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(guò)對(duì)AD7799 的片內(nèi) 24 位數(shù)據(jù)寄存器的進(jìn)行采集， 實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。

2.4 電路抗干擾設(shè)計(jì)

由于稱(chēng)重系統(tǒng)的高精度性 ， 系統(tǒng)的抗干擾性設(shè)計(jì)非常重要。 在電路設(shè)計(jì)方面， 除了設(shè)計(jì)好信號(hào)調(diào)理電路， 還需要注意 AD7799 的參考電壓以及稱(chēng)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(cè)量值的精確性。本系統(tǒng)采用單獨(dú)一套 5 V 電源供電。對(duì)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(xiàn)對(duì)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(jì)中所有地線(xiàn)放在同一層電路板， 盡可能減少地線(xiàn)阻抗。 使用0.1uF 的瓷片電容和 10uF 的鉭電容對(duì) AVDD 和 DVDD電源進(jìn)行去耦， 這兩個(gè)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(kāi)，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(xiàn)，信號(hào)線(xiàn)盡可能走焊盤(pán)面。另外單片機(jī)數(shù)字輸出線(xiàn)存在高頻噪聲， 直接與 AD 相連會(huì)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(jì)

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(diǎn)。 傳統(tǒng)的嵌入式電子稱(chēng)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(yùn)算處理。為了提高測(cè)量結(jié)果的精確度，在本設(shè)計(jì)中不僅采用多種電路抗干擾設(shè)計(jì)而且還充分利用 PC 機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力， 對(duì)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(dòng)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(jì)

稱(chēng)重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(duì) AD7799 芯片編程。 AD779 使用 9 個(gè)片內(nèi)寄存器來(lái)控制 AD7799 的工作過(guò)程，而且其中有 7 個(gè)寄存器可以被直接讀寫(xiě)。通過(guò)對(duì)相關(guān)寄存器的設(shè)置，可以實(shí)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(duì) AD7799 的操作必須先對(duì)通信寄存器的寫(xiě)操作開(kāi)始。通信寄存器中的數(shù)據(jù)決定對(duì)目標(biāo)寄存器進(jìn)行讀還是寫(xiě)的操作，然后才能對(duì)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(shí)間，為了得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，每次采樣時(shí)應(yīng)等轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)行，并且等待時(shí)間應(yīng)隨AD7799 采樣頻率的變化而有所不同。圖 4描述了 AD7799 測(cè)量系統(tǒng)的程序流程。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

表 1 對(duì)整機(jī)做線(xiàn)性測(cè)試。 線(xiàn)性測(cè)試的步驟是選擇標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試砝碼在系統(tǒng)校準(zhǔn)的情況下，經(jīng)過(guò)七次測(cè)量，記錄結(jié)果，然后取 100g 向上疊加。 從測(cè)試結(jié)果看，系統(tǒng)性能符合設(shè)計(jì)要求

經(jīng)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)使用表明， 本稱(chēng)重系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足高精度、高穩(wěn)定性的要求。 本設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、 功能強(qiáng)大、可靠性高、 使用靈活、 能滿(mǎn)足不同用戶(hù)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(chēng)重儀的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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