電子天平無線遙測子系統的研究與實現

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電子天平無線遙測子系統的研究與實現

李文寶，陳建政，鄧霏

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

摘要：設計一種基于射頻芯片nRF905為無線通信核心的電子天平無線遙測子系統的實現方案，整個系統通過STM32微控制器來控制，由24位超低噪聲的模數轉換器ADS1232來對稱重傳感器的模擬信號進行轉換，在微控制器內進行數字濾波等一系列處理，把所需要的數據通過SPI接口寫到nRF905的寄存器中并發射出去，接收部分接收數據，微控制器再通過SPI接口將nRF905寄存器中數據讀出，并通過UART發送到計算機用于顯示和分析，實現一臺計算機來同時操作多個稱重臺。

關鍵詞：電子天平；STM32微控制器；ADS1232模數轉換器；nRF905芯片；CN3702芯片

；收到修改稿日期：2012-11-27

0　引　言

隨著現代電子技術的迅速發展，電子天平不斷完善，逐步形成取代機械天平之勢。電子天平采用了現代傳感器技術、電子技術和微型計算機技術，具有操作簡便、衡量速度快、自動化程度高、智能化功能強等機械天平無可比擬的優越性[1]。

電子天平無線遙測系統是監控和無線傳輸技術的結合，它可以將不同稱重臺的現場信息通過無線通信手段實時傳輸到監控中心，在無線監控系統中，無線監控中心需要實時得到被控制點的稱重信息。這樣原本多人完成的工作量完全可以由一人來完成，提高了工作效率，同時無線監控可以擺脫線攬的束縛，安裝周期短，利于維護，綜合成本低。

1　系統整體設計

本系統主要實現遙測系統的電子測量部分，旨在使用一個無線終端來實時地監測每個稱重臺的測量數據。具體的實現方法是：通過無線接收終端來發送命令給各個稱重臺的電子秤表頭（數據采集端），表頭以地址匹配的方式來識別數據接收終端命令，如匹配，則將測量的穩定數據通過無線的方式發送到監控中心，這樣監控中心的操作人員可以通過計算機上的軟件來監控各個稱重臺的實測數據，依此來決定對各個稱重臺的各項操作（調零、去皮等）。圖1是系統設計的整體示意圖。

2　系統硬件設計

2.1電子天平無線遙測系統硬件結構

圖1　系統整體設計

系統主要由數據采集端和數據接收端構成。數據采集端由稱重傳感器、放大電路、低通濾波器、模數轉換器、充電管理模塊、數碼管顯示模塊、報警電路、按鍵管理模塊、無線收發模塊等組成。數據接收端主要由無線模塊和USB模塊組成，利用USB與PC機通信。其功能相當于一個接入點，一方面將主機向數據采集端發送的控制信號以無線的方式發射出去，另一方面接收采集數據并上傳給計算機。系統硬件結構框如圖2所示。

圖2　硬件電路結構圖

2.2高精度模數轉器ADS1232

為滿足系統的精度要求，系統選用高精度24位模數轉換器（ADS1232）。它集成了板上低噪聲可編程增益放大器（PGA），包含一個3階調制器和一個4階數字濾波器及內部振蕩器，從而為包括稱重、應變計與壓力傳感器等在內的橋接傳感器應用提供完整的前端解決方案[2]。其主要特點:

（1）具有完整的前端，不需要外置放大電路。

（2）高達23.5位的高數度分辨率。

（3）100 dB以上可同時抑制50 Hz與60 Hz的干擾。

（4）簡單的串行數字接口易與微控制器通信。

2.3電池管理模塊

數據采集端由兩節鋰電池供電，為了更好地應用鋰電池，本系統采用專業的電池管理芯片CN3702，在恒壓充電模式，CN3702將電池電壓調制在8.4 V，精度為±1%；在恒流充電模式，充電電流通過一個外部電阻設置。對于深度放電的鋰電池，當電池電壓低于5.6 V時，CN3702用所設置的恒流充電階段，充電電流逐漸減小，當充電電流降低到外部電阻所設置的值時，充電結束。在充電結束狀態，如果電池電壓下降到8 V時，自動開始新的充電周期。當輸入電源掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，CN3702自動進入睡眠模式。電池管理模塊見圖3。

圖3　電池管理模塊

2.4射頻系統

射頻系統包括數據發射端和數據接收端，主要是通過微控制器來控制射頻芯片發送和接收數據。

本次設計的微控制器選用了ST公司推出的基于ARM Cortex-M3內核的STM32F100系列處理器,該芯片內部集成了12位A/D轉換器、USART接口、SPI接口等，具有低功耗、少門數、短中斷延遲、低調試成本等眾多優點[3]。

設計采用的無線模塊是挪威Nordic公司的射頻芯片nRF905,微控制器可通過SPI接口與nRF905通信，設置工作波段、頻率、頻道、發射功率、工作模式等參數，表1為工作模式設置[4-5]。

表1　nRF905的工作模式

3　系統軟件設計

系統的軟件由數據采集端、數據接收端程序組成。數據接收端初始化程序主要包括對UART模塊、射頻模塊進行初始化，主要接收數據采集端發送過來的數據，并發送到計算機，同時會識別計算機發送過來的命令，并發送到數據采集端，以便讓電子天平做出相應的操作；接收端軟件流程如圖4所示[6]。數據采集端初始化程序主要包括對A/D轉換器、按鍵管理模塊、電池管理模塊、數據顯示模塊、射頻系統模塊、外部存儲器進行初始化。系統主要功能包括顯示單位轉換、調零、去皮、凈重/毛重的轉換、打印、電池電量檢測、無線發送和接收等功能；采集端軟件流程如圖5所示。

圖4　數據接收端程序流程圖

4　現場測試

現場測試使用應變模擬器輸出的信號來模擬稱重傳感器的信號，通過數據采集端采集數據并發送到接收端最終發送到計算機以達到無線遙測的目的。現場測試所驗證的內容主要包括：電子天平的相關操作、無線傳輸距離、電池電量檢測以及上位機監控軟件[7]測試。測試步驟：首先對電子天平的表頭來進行標定，設定好相關參數并把相關的定標參數及定標數據保存到外部存儲器當中，以防止數據丟失；其次電子天平正常測量，正常傳輸數據，測試常規操作（調零、去皮等）及無線傳輸距離；最后連同上位機監控軟件進行整體測試，以測試電子天平的無線遙測系統的可用性。測試數據如下：調節應變模擬器為526lb的數據，通過應變采集器對其進行采集，通過無線發送到接收終端，上位機監測軟件數據顯示總重526lb，與輸入數據一致。

5　結束語

通過測試，電子天平標定和常規操作均為正常，無線傳輸距離滿足設計需求，在節能模式下1000mAh雙節鋰電池可用15h，數據采集端、數據接收端及上位機監控軟件均可正常遠行。本系統設計本著低成本、易實現、簡單易行、數據傳輸可靠、低功耗的原則來設計，通過現場測試驗證，測量數據穩定，抗干擾能力強，應用起來將大大縮減人力成本。

圖5　數據采集端程序流程圖

參考文獻

[1] 唐輝，商洪濤，劉向兵.如何提高電子天平稱量的準確性[J] .醫遼裝備，2006（5）：8-9.

[2] 姜伶斌，劉思頌，黨正強.基于ADS1232的精度測試技術[J] .中國測試技術，2008，34（3)：138-144.

[3] 陳峰峰，胡毅，許艷. STM32F10x在應用中編程的實現方法[J] .單片機與嵌入式系統應用，2009（9）：25-27.

[4] 陳敏，孟立凡，王華斌.基于NRF905的無線多點溫度測量系統[J] .電子測試，2011（4)：105-108.

[5] Liu G W，Mao L H. The wireless communication system based on NRF905[J] . Advances in Electrical Engineering and Automation，2012（139）：87-91.

[6] 李開元，王衛東，應俊.基于nRF905的心電無線遙測系統的研究與實現[J] .北京生物醫學工程，2007，26（6）：626-628.

[7] 楊亞東，趙世廉.圖形化虛擬儀器軟面板的設計[J] .電子技術，2000（11）：49-51.

Implementation of wireless telemetry subsystem for electronic balance

LI Wen-bao，CHEN Jian-zheng，DENG Fei

（Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract:This paper designs an implementation taking the RF chip nRF905 as wireless telemetry subsystem for elecronic balance. The controller of entire system is STM32 microcontrollers. The low-noise analog-to-digital converter ADS1232 converts the analog signal of the weighing sensor. The required data are writtern to the nRF905 register through the SPI interface and launch out after digital filtering. After the receiving terminal gains the data，the microcontrollers will send the data read out from nRF905 register through the UART to the computer for display and analysis. This can be operated simultaneously from one computer to multiple weighting units.

Key words:electronic balance；STM32；ADS1232；nRF905；CN3702

收稿日期：2012-09-11

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.027

文章編號：1674-5124（2013）05-0099-03

文獻標志碼：A

中圖分類號：TP212.1；TH715.1+16；TP274+.2；TP391.45

作者簡介：李文寶（1985-），男，吉林榆樹市人，碩士研究生，專業方向為檢測技術與自動化裝置。