多通道高精度智能儀表的研究

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350003）

基于國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)《高精度衡器載荷測(cè)量?jī)x開(kāi)發(fā)和應(yīng)用》項(xiàng)目研制的需要，研制的衡器載荷測(cè)量?jī)x是以多臺(tái)高準(zhǔn)確度傳感器作為載荷測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，以高精度儀表采集的載荷值作為控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)，采用高精密液壓機(jī)構(gòu)，借助反力裝置，對(duì)電子汽車(chē)衡施加標(biāo)準(zhǔn)載荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子汽車(chē)衡檢定。該系統(tǒng)中的測(cè)量?jī)x表，作為測(cè)量反饋信號(hào)的部件，其準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及不同通道間的同步性直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及整套測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，因此，本文提出多通道高精度智能儀表的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

多通道智能儀表整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，系統(tǒng)以STC89C58RD+為主控CPU，由12通道同步數(shù)據(jù)采集模塊、二級(jí)放大電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊、電源模塊以及PC上位機(jī)組成。

主控CPU采用新一代具有超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的STC89C58RD+微控芯片。采集模塊采用同步采樣濾波技術(shù)，對(duì)12通道進(jìn)行獨(dú)立同步采集，包含12路高速力值信號(hào)采集通道、12路溫度采集通道。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用帶有自校正功能的16位A/D轉(zhuǎn)換器，包括由緩沖器和增益可編程放大器（PGA）組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、調(diào)制器以及可編程數(shù)字濾波器等。電源模塊采用經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓電路后進(jìn)行差分供電（±5 V），克服電源零點(diǎn)漂移。液晶顯示模塊自帶觸摸屏功能，可進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的選擇，即根據(jù)需要選擇儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，并通過(guò)SD卡存儲(chǔ)，方便以后的數(shù)據(jù)處理。此外，采集到的力值數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)通過(guò)RS232總線傳送給PC上位機(jī)，在上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，并進(jìn)行必要的軟件溫度補(bǔ)償。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 主控CPU選型

采用的STC89C58RD+微控芯片，是新一代具有超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，具有32 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。在單芯片上具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能，32 KB Flash，1280 B RAM，32位I/O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置8 KB E2PROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)的51單片機(jī)5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。STC89C58RD+內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 前端采集電路及AD7705

前端采集放大電路和AD7705電路設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。采集的傳感器橋路電壓信號(hào)首先進(jìn)入濾波電路去除干擾雜波后再進(jìn)行精密放大，這里采用低功耗運(yùn)算放大器TL081，TL081具有高轉(zhuǎn)換率、低輸入偏置和失調(diào)電流、低失調(diào)電壓溫度系數(shù)、偏移調(diào)整和外部補(bǔ)償選項(xiàng)等特點(diǎn)，而且其寬共模和差電壓范圍非常適用于A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)放大電路。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System structure

圖2 STC89C58RD+內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of STC89C58RD+

AD7705芯片是帶有自校正功能的16位A/D轉(zhuǎn)換器[1-2]，能直接將傳感器不同擺幅范圍內(nèi)的信號(hào)放大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)標(biāo)度電壓附近再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式，此外還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、校準(zhǔn)、低功耗及優(yōu)良的抗噪聲性能[3]。它采用了成本較低但能獲得極高分辨率的Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，可獲得16位無(wú)誤碼數(shù)據(jù)輸出，非常符合對(duì)分辨率要求較高但對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)字要求不高的應(yīng)用。

圖3 運(yùn)算放大電路Fig.3 Operational-amplified circuit

圖4 AD7705 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.4 AD7705 A/D switching circuit

2.3多通道同步采樣技術(shù)

由于高精度儀表基準(zhǔn)參考電源需要高精度電源，但是一般電源很難做到而且價(jià)格相當(dāng)昂貴，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電池基準(zhǔn)電源雖噪聲低、電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)定、制造方便、價(jià)格便宜，但因長(zhǎng)期穩(wěn)定性差、有溫度特性的滯后效應(yīng)，且不能滿(mǎn)載使用，只適用于短期穩(wěn)定性的精密電源中；溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)穩(wěn)壓管基準(zhǔn)電源存在噪聲大、負(fù)荷能力弱、穩(wěn)定性差以及基準(zhǔn)電壓較高、可調(diào)性較差等缺點(diǎn)；而對(duì)于集成電路固體基準(zhǔn)電壓源，雖然在穩(wěn)定性、低噪聲等功能上有了較大的突破，但也難以滿(mǎn)足本項(xiàng)目高精度的需求。本文采用同步采集技術(shù)，將供橋電源和基準(zhǔn)電源同步采集，這樣采集比值不會(huì)隨著電源波動(dòng)而變化。使用同步技術(shù)使得采樣比值E不會(huì)隨著干擾源的變化而變化。

式中：E為采集比值；Vp為供橋電源電壓；VRef為基準(zhǔn)電源電壓；α為供橋電源電壓波動(dòng)系數(shù)；β為基準(zhǔn)電源電壓波動(dòng)系數(shù)。

同時(shí)在普通的多通道儀表中，采用輪詢(xún)方式對(duì)每一個(gè)通道按時(shí)間先后進(jìn)行順序采集，而且隨著通道數(shù)增加，采集速度變慢，為了適應(yīng)高精度控制以及多傳感器同步，本文采用每個(gè)通道單獨(dú)同步采集技術(shù)，不受通道數(shù)的影響，可以自由增加通道數(shù)，適合多傳感器同步采集控制設(shè)備。

2.4 模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)差壓技術(shù)

在高精度測(cè)量電路中，為了獲取高精度、高穩(wěn)定采集信號(hào)，模擬信號(hào)地和數(shù)字信號(hào)地要進(jìn)行隔離。由于數(shù)字信號(hào)一般為矩形波，帶有大量的諧波。如果電路板中的數(shù)字地與模擬地沒(méi)有從接入點(diǎn)分開(kāi)，數(shù)字信號(hào)中的諧波很容易干擾到模擬信號(hào)的波形。當(dāng)模擬信號(hào)為高頻或強(qiáng)電信號(hào)時(shí)，也會(huì)影響數(shù)字電路的正常工作。模擬電路涉及弱小信號(hào)，但是數(shù)字電路門(mén)限電平較高，對(duì)電源的要求就比模擬電路低。既有數(shù)字電路又有模擬電路的系統(tǒng)中，數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響模擬電路，使模擬電路的小信號(hào)指標(biāo)變差，克服的辦法是分開(kāi)模擬地和數(shù)字地。該問(wèn)題存在的最根本的原因是無(wú)法保證電路板上銅箔的電阻為零，在接入點(diǎn)將數(shù)字地和模擬地分開(kāi)，就是為了將數(shù)字地和模擬地的共地電阻降到最小。

常用的做法是在模擬信號(hào)地和數(shù)字信號(hào)地之間串聯(lián)0 Ω電阻或串聯(lián)磁珠，具有比較好的高頻濾波特性，在高頻時(shí)呈現(xiàn)阻性，能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗，從而提高調(diào)頻濾波效果。但是高準(zhǔn)確度的測(cè)量電路中，如一個(gè)測(cè)力傳感器的靈敏度為2.00000 mV/V，對(duì)儀表的分辨率要求為20萬(wàn)分之一，就是0.01 μV，而一般數(shù)字信號(hào)高電平信號(hào)為3.3 V，高電平信號(hào)諧波峰峰值要遠(yuǎn)大于1 mV，因此如果對(duì)于準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1%的系統(tǒng)里，這干擾信號(hào)表現(xiàn)不出來(lái)，但是在0.01%甚至0.001%或以上的高準(zhǔn)確度系統(tǒng)中，這諧波的干擾就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了允差上限值。本文采用在模擬地和數(shù)字地之間通過(guò)穩(wěn)壓電路建立一個(gè)精密穩(wěn)定的壓差，使得噪聲小于這個(gè)壓差值的干擾源都被過(guò)濾掉。

2.5 長(zhǎng)線電感抑制技術(shù)

因在實(shí)際的衡器載荷測(cè)量?jī)x檢定現(xiàn)場(chǎng)，載荷測(cè)量?jī)x的標(biāo)準(zhǔn)傳感器的引線長(zhǎng)度一般大于20 m，且傳感器的引線存在一定的電感和雜散電容。存在的電感和雜散電容對(duì)供電電源為交變（載波）電源的測(cè)量系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生電感效應(yīng)而發(fā)生畸變，對(duì)供電電源為直流的測(cè)量系統(tǒng)由于電容存在而產(chǎn)生積分效應(yīng)。本文采用差分電源供電方式取代傳統(tǒng)的交變載波技術(shù)改善以上供電方式的不足，并對(duì)測(cè)力傳感器采用六線制接法，將反饋信號(hào)（SEN+、SEN-）作為參考電源，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字一階濾波，采用該技術(shù)不僅具有共模干擾抑制作用，還消除了傳感器引線長(zhǎng)短帶來(lái)的影響，同時(shí)還將電感效應(yīng)產(chǎn)生的脈動(dòng)噪聲有效過(guò)濾掉，保證儀表的穩(wěn)定性、可靠性。

3 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

為了達(dá)到高精度、高可靠性的指標(biāo)要求，該儀表采用如下生產(chǎn)工藝：①采用四層線路板，全貼片設(shè)計(jì)，在上貼片機(jī)前對(duì)元器件進(jìn)行高低溫交變老化篩查（-40℃～75℃）；②整個(gè)線路板全部采用三星SM321貼片機(jī)自動(dòng)貼片生產(chǎn)，一次完成貼片，貼片后再一次采用歐姆龍光學(xué)檢測(cè)儀進(jìn)行焊接光學(xué)檢測(cè)，杜絕虛焊；③進(jìn)行初步電氣測(cè)試后進(jìn)行48 h高溫老化試驗(yàn)（75℃）；④老化篩選后進(jìn)行電氣測(cè)試和電壓校準(zhǔn)；⑤整機(jī)測(cè)試并校準(zhǔn)。圖5為所研制的12通道高精度儀表。

4 試驗(yàn)測(cè)試

圖5 12通道高精度儀表Fig.5 12-channels high precision intelligent instrument

選取2臺(tái)研制的12通道高精度智能儀表，型號(hào)為HIP-12，編號(hào)分別為01和02，采用德國(guó)HBM公司生產(chǎn)的橋路校準(zhǔn)單元K148進(jìn)行校準(zhǔn)，選用2.0 mV/V的測(cè)量范圍，測(cè)量中采用0.00001 mV/V的分辨力，儀表選用±5 V的測(cè)量橋壓，選用絕對(duì)讀數(shù)mV/V。測(cè)試結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 12通道儀表01校準(zhǔn)結(jié)果Fig.6 Calibration result of NO.1 instrument

圖7 12通道儀表02校準(zhǔn)結(jié)果Fig.7 Calibration result of NO.2 instrument

圖8 12通道儀表01長(zhǎng)期穩(wěn)定性檢測(cè)結(jié)果Fig.8 Stability calibration result of NO.1 instrument

圖9 12通道儀表02長(zhǎng)期穩(wěn)定性檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Stability calibration result of NO.2 instrument

圖6、圖7分別為K148校準(zhǔn)的12通道儀表01、02的校準(zhǔn)結(jié)果，結(jié)果顯示2個(gè)儀表的12通道的示值誤差相對(duì)不確定度均優(yōu)于±0.004%；圖8、圖9分別為12通道儀表01、02間隔1 a的長(zhǎng)期穩(wěn)定性檢測(cè)結(jié)果，結(jié)果顯示，該儀表的長(zhǎng)期穩(wěn)定性?xún)?yōu)于±0.004%，滿(mǎn)足項(xiàng)目對(duì)高準(zhǔn)確性、高穩(wěn)定性?xún)x表設(shè)計(jì)的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用高精度同步采集技術(shù)、數(shù)字地和模擬地的差壓技術(shù)、長(zhǎng)線電感抑制技術(shù)、多通道獨(dú)立同步采集技術(shù)、模塊化通道設(shè)計(jì)等技術(shù)，研制出12通道高精度智能儀表。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，該儀表準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性均優(yōu)于±0.004%，滿(mǎn)足衡器載荷測(cè)量?jī)x開(kāi)發(fā)對(duì)高精度測(cè)量?jī)x表的要求。研制的高精度儀表還可適用于各種應(yīng)變式傳感器輸出信號(hào)的測(cè)量，并將廣泛應(yīng)用于高精度測(cè)力傳感器的力值傳遞、生產(chǎn)檢測(cè)和驗(yàn)證評(píng)估以及各種高精度檢測(cè)設(shè)備中。

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