基于ADS1234的高精度數字化稱重系統的研究與實現

王雁彬，馬國強

(1.遼寧交通高等專科學校，遼寧 沈陽110122；2.東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽110004)

隨著工業過程控制以及自動化水平的不斷提高，特別是數字技術與信息技術的飛速發展，在稱重計量與控制系統領域，對衡器行業提出了電子衡器數字化、智能化、用數字稱重系統突破模擬稱重系統的局限性等要求。各種類型電子秤的核心都是一個高精度數字化過程，即將被測量物體重量的模擬量轉換成數字量。盡管將重量信息轉換為電信號有多種方法，但最為常用的方法是采用一個配置為惠斯通電橋(Whetstonebridge)的阻性負載單元，將采集到的惠斯通電橋輸出電壓值作為重量參數。傳統的電路設計方法是在A/D轉換之前增加一級或多級高精度的放大器。這樣不但增加了系統的成本和電路復雜性，而且在檢測過程中也會出現工頻干擾和放大器漂移等問題，從而使采集到的數據精度降低。德州儀器(TI)推出的橋接傳感器模數轉換器ADS1234，作為高度集成的Delta-Singma模數轉換器，適用于低電平、高精度測量，特別適合稱重領域的應用[1-2]。

1 ADS1234特性及其稱重應用

負載單元通常根據輸出電壓確定，該輸出電壓是在施加負載單元最大額定重量時為1 V激發電壓產生的，規格以單位mV/V確定。由5 V電壓激發的4 mV/V負載單元所具有的滿量程輸出電壓僅為20 mV。所以，稱重傳感器中的電阻橋產生的待測電壓信號非常小，而且電壓信號隨重量的變化量也非常小。如何對電阻橋接產生的信號進行低電壓、高精度測量，成為稱重系統設計中的核心問題。

ADS1234是一個精密的24位AD轉換器，它內部帶有低噪聲的可編程精密放大器、精密的Delta-Sigma AD轉換和內置的振蕩器。ADS1234為橋路傳感器的應用及稱重儀器提供了一個完全的前端解決方案，它具有非常低的噪聲，當PGA=128倍時，±20 mV的輸入范圍內均方根（rms）噪聲僅有 17 mV，采樣速率為 10 Hz～80 Hz，對于50 Hz與60 Hz具有大于100 dB的抑制能力。

ADS1234在稱重領域的應用的優點是：(1)具有完整的前端，不需要外置放大電路；(2)沒有外部時鐘的要求；(3)所有的功能由管腳來控制，沒有寄存器需要編程。

2 稱重系統硬件設計

2.1 系統總體設計

系統總體結構示意圖如圖1所示。在本系統中MCU可選用單片機、ARM、DSP等芯片，只要內存以及處理速度能夠滿足系統的要求即可，本文以STC89252RC單片機為例進行說明。電源部分的主要功能是對MCU和ADS1234供電，規定需要5 V和3 V的穩定電源。除此之外，還有通信接口、顯示系統以及鍵盤等部分的設計。

2.2 硬件接口設計

硬件接口電路設計主要完成ADS1234外圍電路以及與MCU之間的接口電路。惠斯通電橋的輸出電壓正負極分別接ADS1234的AINP和AINN兩個管腳。DRDY/DOUT、SCLK和PDWN接MCU的三個I/O管腳。圖2所示為ADS1234接口電路原理圖。

2.3 系統抗干擾設計

在電子系統設計中，應充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設計完成后再去進行抗干擾的補救措施。本文的抗干擾設計主要從以下三個方面進行：

(1)抑制干擾源，減小干擾源的 du/dt、di/dt。這是抗干擾設計中最優先考慮和最重要的原則。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯電容實現。

(2)切斷干擾傳播路徑。充分考慮電源對MCU的影響，要給MCU電源加濾波電路或穩壓器，以減小電源噪聲對MCU的干擾。此外，還要合理布線，分開模擬地和數字地。

(3)提高敏感器件的抗干擾性能。減少回路環的面積，電源線和地線盡量粗，閑置的I/O口不懸空[3-4]。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件總體設計

系統軟件設計主要包括系統初始化、MCU控制ADS1234以及串口通信設計。系統初始化保證系統能夠在預定模式和狀態下工作。控制ADS1234主要是設定內部可編程增益放大倍數、選擇測量通道、采樣速率以及控制轉換器等。串口通信部分主要是制定通信協議，包括傳輸速率和數據格式等。圖3是系統軟件流程圖。

3.2 系統初始化以及串口配置

在系統啟動后就進行初始化，完成系統參數的設置。在單片機程序中完成晶振初始值設置、工作模式設置、開啟中斷、定時器等。系統進行初始化后，進入系統自檢。系統自檢主要完成顯示部分、存儲器以及其他功能部件的檢查工作。

在進行串口通信之前要對控制器的串口進行正確的配置，包括串口的工作方式、波特率等。本文主處理器采用STC89C52RC單片機，串口設置為方式1，串口的波特率設置為9 600 b/s。

3.3 ADS1234數據采集設計

圖4所示為ADS1234的工作時序圖。DRDY/DOUT引腳有兩個功能。首先，其變為低電平時表明有數據準備就緒，然后在SCLK時鐘的第一個上升沿，該引腳改變其功能，開始輸出轉換好的數據，最高有效位（MSB）優先。數據在每個SCLK的上升沿輸出。當24位數據(第24個SCLK時鐘)都被獲取之后，將DRDY/DOUT引腳強制拉高，并持續為高，直到有新的數據準備就緒。正是由于DRDY/DOUT引腳的這種特性，在本文中采用了中斷的方式進行數據采集。

以下為ADS1234A/D轉換核心源代碼：

3.4 系統校正

對ADS1234進行偏置校正，是在獲得24位數據之后至少兩個額外的SCLK時鐘信號，即第26個SCLK時鐘下降沿時開始校正周期。完成校正后，DRDY/DOUT為低，表明新的數據準備就緒。偏置校正所需的時間t8（即26個SCLK之后的時間），當使用的晶振為典型值4.912 5 MHz時，SPEED=1時， 其 MIN值為 10.28 ms，MAX值為101.29 ms，±3%的浮動范圍。可以看到，其所花的時間較長，大大降低了整個系統的運行速度，故要在系統運行一段時間后進行一次校正。

4 提高稱重精度的輔助措施

4.1 傳感器安裝技巧

傳感器是整個稱重系統的核心部件之一，要獲得可靠的數據源就要選擇合理的安裝方式。具體包括：(1)傳感器的加載方向與車輛的受載方向相一致，避免橫向力、附加的彎矩、扭矩力；(2)安裝傳感器的底座安裝面應平整、清潔，無任何油膜、膠膜等存在；(3)盡量采用有自動定位作用的結構配件，如球形軸承、關節軸承、定位緊固器等，防止某些橫向力作用在傳感器上；(4)每只傳感器安裝底座的安裝平面要求水平，多個傳感器的安裝底座的安裝面要盡量調整到一個水平面上，以保證各傳感器所承受的負荷基本一致；(5)稱重傳感器周圍設置一些防護罩，以防止雜物污染傳感器和某些可動部分，保證稱量精度。

4.2 穩壓電源設計

在本文中采用LM2576集成芯片進行電源穩壓設計。LM2576系列的穩壓器是單片集成電路，能提供壓降開關穩壓器（buck）的各種功能，能驅動3 A的負載，具有優異的線性和負載調整能力。這些穩壓器內部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，將外部元件的數目減少到最少，使用簡便。

4.3 數字濾波設計

數字濾波器(Digital Filter)是由數字乘法器、加法器和延時單元組成的一種裝置，其功能是對輸入離散信號的數字代碼進行運算處理，以達到改變信號頻譜的目的。本文以軟件濾波為例，結合滑動平均濾波器來說明。其濾波算法是采樣一次后，將這一次采樣值和過去的若干次采樣值一起求平均，得到的有效采樣值作為本次測得值使用。取N個采樣值求平均，RAM中要開辟N個數據的暫存區。每采集一個數據都要存入暫存區，同時去掉一個最早的數據，保持這N個數據始終是最近的數據[5-6]。

部分核心源代碼如下：

5 稱重實驗

本文采用加載機對實驗小車進行力學加載試驗。載荷從零開始，每次增加500 N，加載至 20 kN（此力接近于汽車超載重量）。基于實驗條件的限制，試驗中電壓值精確到0.01 mV。表1所示為部分輸出電壓值。

當力小于3 kN時，電壓緩慢上升，說明應變變化很小，當力大于3 kN時，電壓呈線性上升，應變呈線性變化。接下來，對實驗數據進行曲線擬合。假設加載力為F（kN），輸出電壓為 V（mV），則可以推算出輸出電壓與重量的關系式為：

表1 加載實驗記錄表

通過驗證式（1），可以看到本實驗的精度在0.01 mV。

本文所設計的一種基于ADS1234稱重系統，具有數字化、高精度等優點。所設計的系統外圍電路簡單，易于在稱重領域中推廣。結合本文所述的數字濾波等技術，本系統也具有工作狀態穩定和穩定時間短等優點。

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