周岳斌 劉桂雄 孫登林

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 2.廣州電測(cè)儀器廠)

1 引言

稱重傳感器是應(yīng)用最為廣泛的稱量器件之一，實(shí)際應(yīng)用中迫切需要具有采集、處理和通信功能的數(shù)字稱重傳感器，其精度、性能的設(shè)計(jì)得到了廣泛關(guān)注。Makabe等針對(duì)稱重傳感器的蠕變誤差設(shè)計(jì)了精確的補(bǔ)償算法[1]；Liu C R等基于微波諧振腔的波動(dòng)理論研制了一種微波動(dòng)態(tài)稱重傳感器，獲得了出色的線性度、一致性和測(cè)量精度[2]；Piskorowski等設(shè)計(jì)了一種線性時(shí)變?yōu)V波器，為稱重傳感器響應(yīng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償提供新的方法[3]；Abbas等基于MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種分辨率可達(dá)μN(yùn)級(jí)的新型微量程稱重傳感器，并提出了一種可追蹤的傳感器校準(zhǔn)方法[4]；Prabuwon采用SQL server和visual C++的軟件構(gòu)架，為制造過(guò)程中的產(chǎn)品檢測(cè)設(shè)計(jì)了易于定制和集成的稱重傳感器系統(tǒng)[5]；Mohamed通過(guò)對(duì)稱重傳感器的蠕變行為與蠕變恢復(fù)行為進(jìn)行比較分析，研究了不同蠕變參數(shù)、傳感器粘彈性常數(shù)與蠕變速度的關(guān)系[6]。

這些針對(duì)局部問(wèn)題的研究為改進(jìn)數(shù)字稱重傳感器的設(shè)計(jì)提供了思路，但涉及的傳感器結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理算法較復(fù)雜，測(cè)試條件有限的情況下，難以實(shí)現(xiàn)傳感器性能的快速測(cè)試。本文采用高精度數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)，不但可快速有效地測(cè)試傳感器性能，也可用于高速ADC的性能測(cè)試。

2 稱重傳感器的數(shù)字化

2.1 數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是一種數(shù)字稱重傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感單元為平行梁式應(yīng)變電橋，采用具有超低噪聲和漂移的高精度Σ-Δ型ADC和內(nèi)嵌高速51內(nèi)核的增強(qiáng)型單片機(jī)，對(duì)應(yīng)變電橋的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和必要的數(shù)據(jù)處理，完成模擬傳感器的數(shù)字化。ADC輸入信號(hào)通路包含一個(gè)可編程增益放大器，在直流到 4.8 kHz范圍具有超低噪聲和漂移；A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果采用SPI串行數(shù)字接口輸出，CPU與上位機(jī)通信采用 RS485接口；保護(hù)電路用于保護(hù)通信芯片及CPU不受外界干擾的損壞；上位機(jī)中設(shè)計(jì)了Matlab R2009環(huán)境下的應(yīng)用軟件，可完成數(shù)字稱重傳感器的測(cè)量、配置、校準(zhǔn)、標(biāo)定等功能。

圖1 數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 高精度數(shù)字化技術(shù)

為獲取高精度的數(shù)字化信號(hào)，傳感器系統(tǒng)對(duì)串行數(shù)字接口選擇、數(shù)字信號(hào)處理方法、電路EMC設(shè)計(jì)等因素進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和綜合考慮，同時(shí)還采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

⑴Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換：ADC是數(shù)字化的核心器件，合理的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)一定程度上影響著數(shù)字化的精確度。利用過(guò)采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)Σ-Δ型ADC可濾除量化噪聲，降低對(duì)外圍元件精度要求，減少對(duì)復(fù)雜后處理的要求，精度可達(dá)24 bit 以上，轉(zhuǎn)換速率相對(duì)較低，適用于低頻或直流信號(hào)測(cè)量。

⑵比率測(cè)量：應(yīng)變電橋的激勵(lì)電壓直接決定稱重傳感器的A/D轉(zhuǎn)換輸出精度。ADC的輸出與激勵(lì)源和參考源電壓都相關(guān)。比率測(cè)量方法是將ADC的基準(zhǔn)電壓源與電橋的激勵(lì)電壓用同一電源芯片提供，使ADC轉(zhuǎn)換輸出與參考源和激勵(lì)源電壓中低頻噪聲的影響互相抵消，不會(huì)由于電橋激勵(lì)電壓的漂移損失測(cè)量精度。

⑶斬波輸入：斬波方式能夠消除調(diào)制器產(chǎn)生的量化噪聲，適于漂移、噪聲抑制和電磁干擾抑制要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。通過(guò)在采樣時(shí)交替地改變輸入信號(hào)的極性，對(duì)相鄰兩次采樣值求平均，來(lái)消除失調(diào)電壓的影響。

⑷同步50Hz/60Hz抑制：在較低的數(shù)據(jù)輸出更新速率(<1kHz)下，數(shù)字稱重傳感器的 ADC可與 sinc3或sinc4數(shù)字濾波器配合使用，對(duì)50Hz/60Hz的工頻干擾同時(shí)進(jìn)行抑制。

⑸校準(zhǔn)與故障自檢：對(duì)于失調(diào)與增益校準(zhǔn)，ADC提供了內(nèi)部校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)兩種模式，可消除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；利用內(nèi)置的溫度傳感器，可對(duì)寬溫度范圍工作時(shí)的數(shù)字稱重傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償；結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、寄存器狀態(tài)和參考電壓檢測(cè)器，還可檢測(cè)到模擬前端的開(kāi)路、過(guò)載、短路以及參考電壓缺失等故障現(xiàn)象。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在Matlab R2009環(huán)境下，基于事件驅(qū)動(dòng)的中斷通信機(jī)制，借助 Matlab強(qiáng)大的數(shù)值分析與處理功能、豐富的圖形界面、方便的編程接口，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字稱重傳感器的數(shù)據(jù)分析處理、文件存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)置及圖形顯示等功能。

3.1 Matlab的GUI設(shè)計(jì)

Matlab定義了多種圖形對(duì)象，包括圖形窗口、坐標(biāo)軸、直線、曲面、文字、圖像、菜單等各種控件。每創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象就建立一個(gè)唯一的句柄，句柄是存取圖形對(duì)象的唯一識(shí)別，不同對(duì)象的句柄不能重復(fù)。各個(gè)圖形對(duì)象依據(jù)其所具有的屬性值來(lái)確定具體的顯示效果。

3.2 串口通信的實(shí)現(xiàn)

Matlab環(huán)境下讀取串口數(shù)據(jù)的方法有查詢和中斷兩種。查詢方式編程容易，但系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不高，會(huì)極大地占用系統(tǒng)資源；中斷方式編程相對(duì)復(fù)雜一些，需要采用Matlab的事件和回調(diào)函數(shù)機(jī)制。Matlab提供instrcallback回調(diào)函數(shù)，用戶可設(shè)置具體串行通信事件。當(dāng)串口有監(jiān)視的事件發(fā)生，Matlab調(diào)用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行通信事件的處理。事件驅(qū)動(dòng)的方法實(shí)質(zhì)上是一種中斷機(jī)制，回調(diào)函數(shù)相當(dāng)于中斷服務(wù)子程序。中斷發(fā)生后的通信事件處理以及通信數(shù)據(jù)的分析處理任務(wù)，需要用戶自行添加相應(yīng)的服務(wù)程序代碼。

3.3 數(shù)據(jù)處理功能

為提高稱重傳感器的精度和抗干擾性能，軟件設(shè)計(jì)采用了多種數(shù)據(jù)處理方法來(lái)消除或減弱噪聲干擾的影響[7]。考慮到單片機(jī)的運(yùn)算能力和計(jì)算速度有限，存儲(chǔ)空間不夠大，為保證實(shí)時(shí)性要求，在單片機(jī)系統(tǒng)中只安排了數(shù)字濾波、零點(diǎn)跟蹤、漂移抑制、零點(diǎn)和滿量程校正等較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理功能，而標(biāo)度變換、多點(diǎn)標(biāo)定、溫度補(bǔ)償、誤差分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、指標(biāo)計(jì)算、性能測(cè)試等復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理功能則設(shè)置在上位機(jī)中由Matlab編程實(shí)現(xiàn)。

4 性能測(cè)試與結(jié)果

4.1 ADC性能測(cè)試

ADC的性能決定了數(shù)字傳感器的好壞，其性能測(cè)試至關(guān)重要。常用的測(cè)試方法如FFT法、直方圖法和正弦擬合法都比較復(fù)雜，甚至需要昂貴的儀器設(shè)備，利用 Matlab軟件編程進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，可以方便快捷地對(duì)ADC性能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)試。

⑴有效位數(shù)(Effective Number of Bits, ENOB)ADC的實(shí)際分辨率可達(dá)到的位數(shù)稱為ADC的有效位數(shù)。ENOB是衡量ADC性能的一個(gè)最直觀的指標(biāo)， 其計(jì)算方法如下：

若ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)為K，則其滿刻度值用二進(jìn)制表示為2K，如果對(duì)為測(cè)量值xi的平均值，N為測(cè)試值點(diǎn)數(shù)，則這N次測(cè)量的噪聲有效值RMS可用公式2計(jì)算，ENOB可用公式3計(jì)算。

當(dāng)數(shù)據(jù)輸出速率、增益放大倍數(shù)等寄存器設(shè)置不同時(shí)，ADC處于不同的工作模式，圖2給出了不同模式下的ENOB測(cè)試結(jié)果。

圖2 ENOB測(cè)試

⑵信噪比(Signal-to-Noise, SNR) 在低于采樣頻率一半的條件下，SNR是基頻功率與不包括諧波和直流分量的噪聲功率的比值，單位為dB。SNR的兩種計(jì)算方法如下：

圖3是另一組不同模式下的SNR測(cè)試結(jié)果，可以看出，模式1下的SNR最高，均值達(dá)到118.72dB。

圖3 SNR測(cè)試

⑶積分線性度(Integral Nonlinearity, INL) INL是不考慮偏置誤差和增益誤差時(shí)，ADC實(shí)際轉(zhuǎn)換函數(shù)與理想轉(zhuǎn)換曲線的最大偏差。INL的測(cè)量可采用最優(yōu)適應(yīng)測(cè)量法或端點(diǎn)測(cè)量法確定理想轉(zhuǎn)換曲線。表1是一組ADC的INL測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果表明INL在±0.0018%FS范圍內(nèi)，ADC的線性度較為理想。

表1 ADC的INL測(cè)試

4.2 傳感器性能測(cè)試

稱重傳感器的測(cè)試按國(guó)標(biāo)GB/T7551-2008《稱重傳感器》的規(guī)定進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)采用OIML R60國(guó)際建議中綜合稱重傳感器各種誤差的總誤差帶概念[8]。測(cè)試時(shí)，按照規(guī)定的測(cè)試程序加載和卸載負(fù)荷，Matlab程序會(huì)自動(dòng)保存測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義計(jì)算非線性、重復(fù)性、滯后等指標(biāo)，并畫出誤差曲線。

圖4為數(shù)字傳感器的測(cè)量誤差曲線，所用模擬傳感器靈敏度為1.981mV/V，量程為5kg，非線性誤差為 0.0084%F.S，重復(fù)性誤差為 0.0042%F.S，滯后誤差為0.0042% F.S。數(shù)字化后經(jīng)過(guò)測(cè)試，綜合精度達(dá)到OIML C6等級(jí)，分辨率達(dá)到0.2uV/10mV，非線性為 0.0019%F.S，重復(fù)性為 0.0018%F.S，滯后為0.0007%F.S，抗干擾能力和精度指標(biāo)明顯提高。

圖4 測(cè)量誤差曲線

5 結(jié)論

本文結(jié)合高精度數(shù)字化的一些關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用于模擬稱重傳感器的數(shù)字化設(shè)計(jì)中；信噪比、有效比特和積分線性度是ADC的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，直接影響數(shù)字稱重傳感器的性能，這三項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試具有重要意義；利用與PC機(jī)串口通信，采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字稱重傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理、通信與控制功能，傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)得到提高，滿足了實(shí)際要求，使用和操作也更加方便。

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