基于應變式壓力傳感器的高精度網絡化稱重系統研究

范留彬，董秋杰，趙 昂，祝 捷

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000)

歷經發展稱重技術伴隨著科技的發展已經從簡單粗糙的機械式稱重裝置發展到今天的高精度、自動化的電子衡器[1]。電子衡器是以壓力傳感器以及電子裝置構成的系統[2]。稱重傳感器按照其原理可以分為電荷式、電阻式、電磁式等[3-4]。它們具有不同的適用范圍，其中應變電阻式壓力傳感器可以實現對10-2～107N力的測量，能在惡劣環境、大加速度和震動條件下工作，具有線性度好，工作穩定可靠，性價比高等特點。

目前，從世界范圍來看德國飛利浦公司生產的以PR6201應變式壓力傳感器為核心的稱重系統是目前投入應用的具有較高精度的電子稱重系統。其綜合精度為0.015%。日本ASAHI，英國Omega，瑞士METTLER TOLEBO，西班牙UTILCELL次之，綜合精度為0.02%。國內廠家以上海石田，陵縣天龍為代表生產的稱重系統的最高綜合精度為0.03%。《2012-2016年中國稱重儀市場調研及投資戰略咨詢報告》[5]顯示，國內稱重系統生產廠家每個公司的平均年進口費用高達數千萬元。由此可見，研制具有我國自主知識產權的電子稱重系統具有極大的社會效益和經濟效益。

1 電路設計

1.1 應變電阻式壓力傳感器原理及噪聲水平分析

利用應變原理可以設計出電阻式應變片或應變薄膜。應變片或應變薄膜可以感受測量物體受力時所產生的應變，并將應變變化轉換為電阻變化，通過電橋進一步轉換為電壓或者電流的變化。利用應變式變換來實現測量的傳感器稱為應變式傳感器。通常的應變傳感器中已經集成了惠斯通電橋電路[6-8]。傳感器的驅動方式可以選擇恒壓源驅動和恒流源驅動，兩者各有利弊。本文所研究的系統采取恒壓源驅動。

結合圖1可以對應變電阻式壓力傳感器的恒壓驅動方式進行原理分析，得出驅動電壓噪聲對傳感器輸出信號噪聲的影響。圖中：Ui是驅動電壓，Δui是驅動電壓噪聲的峰值；Uo是電橋輸出的差分信號，Δuo是輸出信號噪聲的峰值。R是電阻式應變片/應變薄膜的固有電阻，Δr是由于傳感器受到壓力而引起的電阻變化量[9]。

圖1 應變電阻式壓力傳感器恒壓驅動輸出噪聲分析原理圖

由簡單的電路分析可知：

在理想的電橋平衡狀態時輸出恒為零即Δuo≡0。

非平衡狀態時：Δuo=(Ui+Δui)Δr/R-Uo=ΔuiΔr/R

(1)

式(1)表明對于給定的固有電阻R，其輸出噪聲與應變引起的電阻變化量呈正比，與電源紋波噪聲呈正比。與多數應變壓力傳感器相同，本研究中所采用的H30A型壓力傳感器固有電阻阻值為350 Ω。將R=350 Ω帶入公式(1)中并以Δr為橫坐標，Δuo為縱坐標，對于不同的Δui可以得到如圖2所示的曲線族。

圖2 應變電阻式壓力傳感器恒壓驅動輸出噪聲分析結果

由于隨著傳感器負載的增加，應變電阻的變化量將增加。從圖2可以看出，隨著Δr的增加，電橋輸出信號的噪聲將對電源紋波噪聲越來越敏感。于是不難得出結論，電源的紋波是影響傳感器非線性誤差的原因之一。根據誤差傳遞理論，傳感器的綜合誤差ξa是傳感器的非線性誤差ξL、遲滯誤差ξH、和重復性ξr的均方根[10]。即：

(2)

高精度的恒壓驅動可以降低公式(2)中的非線性誤差ξL，從而提高系統的綜合精度。

1.2 高精度恒壓驅動電路

驅動電路恒壓源以參考電壓源芯片REF102與PNP晶體管開關2N2905為核心，與100 Ω限流電阻共同構成10 V恒壓源，其中2N2905起到提高驅動電流的作用可以將輸出電流提高到200 mA。

為了評估驅動電路的性能，采用Siglent ADS1202CE型示波器對驅動電路紋波進行了測試。測試過程選擇第一通道，耦合方式為直流，為了更好地觀察紋波測試選擇了探頭×1，通道衰減×10將測試信號放大10倍，從測試結果可以看出恒壓源紋波小于0.05 mV。

1.3 放大器與信號采集

系統的放大與信號采集模塊以CS5534為核心，輔以簡單外圍電路構成。CS5534是高集成度的Δ∑模數轉換器，由于運用了電荷平衡技術，其性能可以達到24位。該模數轉換器非常適合測量稱重儀表。

該模數轉換器有4通道可供選使用，用于同時采集叉車四點平衡傳感器的輸出信號。芯片內部有一個極低噪聲的斬波穩定儀表放大器(6 nV/Hz @ 0.1 Hz )，其增益可選擇為1×、2×、4×、8×、16×、32×及64×，可以方便地通過指令控制稱重過程中的量程轉換。系統采用LM4040提供4.096 V模數轉換參考電壓，在64×增益時理論上可以分辨3.8 nV的輸入電壓。該模數轉換器內部還有一個4階的Δ∑調制器，其后跟隨一個數字濾波器，它提供20種可供選擇的輸出字速率。為了方便與微處理器之間的通訊，其內部還有一個與SPI和Micro wire 兼容的三線串行接口，在串行時鐘口(SCLK)有一個施密特觸發器。具有高動態范圍、可編程輸出字速率和靈活的電源配置選項等優點。

該系統實際測試結果表明在64×增益時，輔以內部數字濾波器可以實現22位的AD轉換精度，即可以分辨16 nV的輸入電壓。放大器與信號采集的核心電路原理圖如圖3所示。

圖3 放大器與信號采集核心電路原理圖

1.4 微控制器

本文中所采用的微控制器是XS128_MAL系列16位微控制器，廣泛應用與汽車儀表與工業控制領域。該微控制器具有40 MHz 的總線傳輸速度，有64 KB、128 KB和256 KB閃存選項，均帶有錯誤代碼糾錯功能(ECC)；帶有ECC的4 KB至8 KB Data Flash，用于實現數據或程序存儲，配置12位模數轉換器，可以實現3 μs的轉換時間，支持控制區域網(CAN)、本地互聯網(LIN)和串行外設接口(SPI)協議，帶有16位計數器的、8通道定時器，出色的EMC/運行和停止電流性能。芯片豐富的IO端口以及16通道12位模數轉換功能為稱重系統的功能擴展提供了堅實的硬件基礎。

1.5 無線通信

系統的無線通信模塊采用微功率無線通信技術，最大發射功率10mW，可以實現收、發模塊之間遠距離透明數據傳輸。通信模塊采用晶體穩頻、內置數字鎖相環，可靈活設置頻點；提供TTL電平和模擬RS-485/RS-232規格信號的UART接口。該模塊支持的UART通信速率從1 200bps到38 400 bps。可以選擇射頻芯片使用高精度溫度補償晶振，模塊無線通信效果更好。通信模塊工作載頻頻率處于431 MHz ～ 436 MHz之間的開放ISM頻段，免許可證使用。抗干擾能力強，采用前向糾錯編碼，實際誤碼率低達10-5～10-6。傳輸距離遠，在視距情況下，天線放置位置高于2 m，可靠傳輸距離可達1000 m (BER=10-3/1 200 bps)，可靠傳輸距離大于700 m(BER=10-3/4 800 bps)，可靠傳輸距離大于500 m(BER=10-3/9 600 bps)。透明數據傳輸，自動過濾空中噪聲，數據處理、傳輸自動完成。

2 軟件設計

2.1 下位機程序設計

本文所研究的基于應變電阻式壓力傳感器網絡化稱重系統下位機軟件設計如下。系統開啟后，對XS128微控制器自檢并初始化CS5534模數轉換芯片。初始化過程包括配置通過SCI協議分別配置CS5534模數轉換芯片的命令寄存器、增益寄存器、偏移寄存器、配置寄存器，分別實現選擇采樣通道和訪問其他寄存器、設置增益、自偏移校準、自增益校準以及訪問數據寄存器等功能。初始化完成后，對電源電壓采樣判定系統是否可以繼續工作。隨后，采集傳感器的輸出電壓并進行數字平滑濾波。最終轉換成壓力或重量值并顯示和發送至上位機。

為了節省系統資源，下位機采用外部觸發中斷響應來自上位機的相關指令。這樣的設計保證了系統與上位機終端通信的快速響應。當下位機收到來自上位機終端的控制指令后，下位機進入中斷函數并對指令進行判斷和執行相應的響應。這樣的設計實現了系統的文字信息收發功能，便于工業現場控制和管理。上位機可以通過指令直接向各個下位機“索要”稱量數據，并控制下位機進行數據備份。

在鍵盤的設計中同樣采用中斷觸發的方式，對鍵盤上的每個按鍵設置了唯一標識，用以識別用戶按鍵請求的意圖并使下位機實現相應功能。系統集成了計算器，去皮，編號，備份，主動發送測量結果等功能，并為后期開發預留了足夠的軟件，硬件接口。

2.2 上位機終端

上位機終端是基于Lab View 圖形化編程開發的應用程序。程序運行開始后，首先對串行端口初始化，選擇與計算機相連的串行通信接口。為了實現一對一，一對多，和多對多通信，終端主程序所收發的每一條指令都含有唯一的標識用以識別數據的來源和去向，程序中采用分時讀取來自不同下位機發送來的數據，并實時在窗口界面上顯示測量結果。上位機程序中集成了發送文字信息，數據存儲，顯示系統時間，備注，報表生成工具等基本功能。并設有其他接口用于功能的擴展。

2.3 結論

研究結果表明通過采取高精度恒壓驅動的方式可以有效提高應變電阻式壓力傳感器的線性度，降低非線性誤差，從而提高系統的綜合精度；通過采取CS5534的片內數字濾波技術可以有效地提高信號調理模塊的信噪比；采用片內放大器為量程轉換提供了一種低成本的技術解決方案；采用基于SCI串口通信協議射頻通信技術可以實現一對一，一對多，多對多的網絡化信息管理，可以建立網絡化信息終端；最終試驗結果表明：基于應變式壓力傳感器的高精度網絡化稱重系統綜合精度達到0.02%，量程為1 000 kg，處于國際領先水平。