24位A/D轉換稱重數據采集系統

　1 引言

　　組合秤又稱選擇組合衡器，它是由多個獨立的進料出料結構的稱量單元組成，電腦利用排組合原理對稱量單元的載荷量自動優選組合計算出最佳、最接近目標重量值的重量組合進行包裝。選別秤是檢測單個產品重量與設定目標是否相符，并由分選裝置自動剔除不合標準產品的包裝行業設備。從實用角度出發，采用具有24位∑-△型A/D轉換器的系統級單片機MSC1210結合低成本的供電解決方案與CAN控制器SJA1000以及CAN總線收發器82C250，設計一種具有CAN總線接口的24位稱重數據采集系統，可應用于組合稱重設備、選別設備。

　　2 系統硬件設計

　　圖1為系統硬件結構圖。系統硬件采用系統級單片機MSC1210直接采集傳感器信號。由稱重傳感器產生的電壓輸入信號采用差分輸入方式，由濾波電路直接接到MSC1210的AIN0、AIN1，經MSC1210內部A/D轉換采集數據，然后將采集數據轉化為CAN協議數據傳輸至CAN總線網絡，再由觸摸屏處理數據。MSC1210內置有溫度傳感器，便于后期數據校正，采集測量環境溫度。

　　2.1 供電電壓

　　A/D轉換數據大小僅取決于輸入電壓V0大小，A/D轉換精度取決于參考電壓V0的穩定性。V0、VREF必須取同一電源，電源波動相互抵消，對A/D轉換無影響。該稱重傳感器最小激勵電壓為5 V，最小激勵電流為25 mA。MSC1210提供的內部參考電壓不足以驅動傳感器，因此選擇外部輸入參考電壓，同時關閉內部參考電壓以減小噪聲干擾和功率損耗。

　　基于上述原因，綜合成本考慮，選用低壓差線性穩壓器LP2591提供5 V用以激勵傳感器，通過高精度電阻網絡分壓成2.5 V供給MSC1210作為A/D轉換的參考電源。

　　LP2951屬精密型低壓差線性穩壓器，初始精度0.5%，電壓調整率和負載調整率可達0.05%，具有低靜態電流(≤8 mA)、低壓差、低溫度系數(20×10-6/℃)等特點。輕載時的壓差為50 mV;當其為100 mA負載時壓差為380 mV。最大輸出電流為100 mA。

　　集成的各個電阻具有參數、性能、受環境影響一致的特點，外界對其干擾(如電源變化、溫度變化)能在分壓比中相互抵消。采用并聯電阻的分壓電路有助于減小溫漂，提高穩定性。

　　2.2 A/D轉換器

　　高精度數據采集核心在于A/D轉換器的參數指標。即量程、有效分辨率和轉換時間等。

　　MSC1210通過可編程增益放大器(PGA)和偏移D/A轉換器(ODAC)改變量程以增加輸入信號的動態范圍。MSC1210通過改變本身的PGA來改變量程以適應不同的傳感器輸入電壓。如果AIN0作為同相差分輸入通道，其他任何一個通道都可作為反相差分輸入通道。這里選擇AIN0、AIN1作為輸入傳感器輸入電壓的前向通道。PGA的模擬輸入通過ODAC最多被偏置到輸入范圍的一半，由于ODAC引入了模擬偏置量而非數字量到PGA，所以使用ODAC不會降低A/D轉換器的性能。

　　該系統要求輸入信號的動態范圍為0～4 000 g，最小輸入分辨率為0.1 g，同時根據A/D轉換器線性輸入、輸出特性，A/D轉換器滿量程電壓與所分辨最小電壓的比值和相應重量輸出比值相等。系統必須保證最終測量結果具有16位的精度。考慮系統電源電壓漂移、溫度漂移等其他因素，因此要求A/D轉換至少應達到18 bit的實際轉換精度。因此，MSC1210能夠滿足系統設計要求。

　　2.3 溫度測量

　　MSC1210內置溫度傳感器便于后期數據校正，采集測量環境的溫度。由于其內部二極管提供溫度傳感功能，當輸入多路復用器的設置寄存器所有位都為1時，二極管就連到A/D轉換器的輸入端，所有通道打開。

　　2.4 CAN總線數據通訊

　　SJA1000的AD0～AD7連接到MSC1210的P0端口，CS連接到MSC1210的引腳P2_7。P2_7引腳為0時，CPU片外存儲器地址選中SJA1000，CPU通過這些地址對SJA1000執行相應的讀/寫操作。SJA1000的RD、WR、ALE分別與MSC1210的對應引腳相連，INT引腳接MSC1210的INT0，MSC1210可通過中斷方式訪問SJA1000。

　　為增強CAN總線節點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過高速光耦6N137與82C250相連，這樣就實現總線上各CAN節點間的電氣隔離。采用小功率電源隔離模塊B05-05S將光耦部分的兩個電源完全隔離。通過隔離提高了節點的穩定性和安全性，如圖2所示。

　　傳感器電壓輸出信號經過濾波后直接接MSC1210的AIN0，AIN1;MSC1210內部A/D轉換的參考電壓為LP2951，輸出電壓經精密電阻網絡分壓得到，如圖3所示。

　　3 系統軟件設計

　　單片機采集A/D轉換的數據并通過CAN協議發給CAN網絡，傳輸數據，在觸摸屏上編制軟件系統接收和存儲采集到的稱重傳感器輸出的電壓數據，軟件工作的重點包括數據校準和數據采集兩部分。

　　3.1 數據校準

　　為降低器件和系統的偏移誤差和增益誤差，需要采用校準方法。MSC1210或整個系統的偏移、增益誤差可以通過校正來減少影響。

　　校正功能ADCCON1寄存器(SFR DDH)的CAL2～0位控制每個校準過程需7個tDATA周期，因此，完成偏移和增益校準需要14個rDATA周期。在校準完成后，當中斷允許時，會產生A/D轉換中斷。校正完成以后A/D轉換器中斷位置為1，表示校正結束可以讀取有效數據，相關程序代碼如下：

　　ADCON1=0X01; //初始化增益和偏移自校準

　　while(!(AISTAT&0X20)); //等待中斷觸發

　　3.2 數據采集

　　采用臺達DOP人機界面軟件ScreenEditor開發平臺，編制數據采集與存儲系統，使用CAN網絡協議與下位機通訊，進行稱重數據的實時采集，具體應用于稱重系統采集測試系統中。數據采集界面如圖5所示。

　　3.3 提高精度采取的其他措施

　　為保證得到一個高精度的測試系統，除了使用高精度A/D轉換器外，系統中的其他模塊設計也對整個系統精度有很大的影響。

　　(1)傳感器是整個系統的核心，要獲得可靠的數據源就要注意電阻式應變傳感器的安裝方式，傳感器的底座安裝面應平整、整潔，無任何油膜、膠膜等存在。安裝底座要求高于傳感器本身的強度和剛度。安裝底座的安裝面要用水平儀調整水平。安裝時不能采用普通平墊圈，應使用彈簧墊圈。在給傳感器加載受力時，要按傳感器加載受力方向加載，避免橫向或附加扭矩力。

　　(2)數字器件和模擬器件獨立供電，對電源進行穩壓，并加濾波電路，以免電源噪聲對系統產生影響。為防止傳導型高頻電磁干擾，在傳感器信號輸出端及電源線上加屏蔽珠。在PCB布線時應盡量將數字部分和模擬部分隔離，數字地與模擬地隔離。

　　系統能夠穩定運行，測量結果滿足精度要求，顯示分辨率為1/40 000。數據穩定時間小于1 s。

　　4 結束語

　　該CAN總線的稱重數據采集方案適用于組合稱重或選別稱重的環境下對稱重傳感器信號的采集與存儲，經工廠環境的實踐檢驗，證明系統能夠長時間穩定運行，具有較好的應用前景，同時也可運用在車輛稱重系統。