李宏偉

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

糧食質(zhì)量安全檢測(cè)是國(guó)家儲(chǔ)備糧管理工作的基礎(chǔ)，也是發(fā)展智慧儲(chǔ)糧的先決條件。在糧食進(jìn)行入庫(kù)質(zhì)檢時(shí)，雜質(zhì)稱樣和水分測(cè)定對(duì)質(zhì)檢稱的精確度有著很高的要求。稱重的精確度將直接影響質(zhì)檢的準(zhǔn)確性，間接影響糧儲(chǔ)部門(mén)對(duì)糧食安全的監(jiān)管和追溯[1]。目前，糧庫(kù)所使用的高精度質(zhì)檢秤主要采用模擬電路設(shè)計(jì)，過(guò)多使用模擬電路會(huì)使得電路過(guò)于復(fù)雜。由于元器件的老化和溫漂特性，傳統(tǒng)電子質(zhì)檢秤的精度往往得不到保證，需要定時(shí)校準(zhǔn)。

模擬秤的設(shè)計(jì)大多采用惠斯登電橋、儀表放大器和高精度AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方案，少數(shù)采用恒流源法或模擬鎖相放大器法，其中模擬鎖相放大器法精度最高，但是模擬鎖相放大器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，也存在元件老化問(wèn)題[2]。隨著現(xiàn)在越來(lái)越多的32位高性能、低成本處理器的出現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理可以很好地應(yīng)用于這些測(cè)量電路。MSP430系列的單片機(jī)功耗低且應(yīng)用廣泛，于是提出了在MSP432單片機(jī)中設(shè)計(jì)數(shù)字鎖相放大器來(lái)制作電子秤的方案，從而實(shí)現(xiàn)用數(shù)字電路代替模擬電路[3]。這樣既可以預(yù)防模擬電路的時(shí)漂、溫漂問(wèn)題，又可以減少儀器體積、節(jié)約成本。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)主要包含MSP432單片機(jī)最小系統(tǒng)、SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、惠斯登電橋和模擬前端信號(hào)采集4部分。其中，MSP432單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生SPWM信號(hào)，SPWM通過(guò)濾波器后可以產(chǎn)生正弦波驅(qū)動(dòng)電橋，電橋由于物體重量改變產(chǎn)生的微弱信號(hào)通過(guò)模擬放大器后進(jìn)入MSP432的AD采集端口，之后信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)部量化后全部進(jìn)行數(shù)字鎖相處理，通過(guò)轉(zhuǎn)換最終得到物體的質(zhì)量信息。

圖1 系統(tǒng)圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用德州儀器公司的MSP432LAUNCPAD最小系統(tǒng)作為處理核心，硬件部分主要包含電橋及其放大電路、SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)合成電路和AD信號(hào)采集電路等。

1.2 主控MCU

考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所需要的高精度、低功耗、低價(jià)等因素，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用德州儀器公司的MSP432P401R單片機(jī)。MSP432P401R是最新推出的ARM?32位Cortex?-M4F內(nèi)核的具有48 MHz主頻的低功耗單片機(jī)，內(nèi)部集成有16位定時(shí)器、14位高精度AD轉(zhuǎn)換器等外設(shè)。此外，Ti公司還提供了高速的MSP_DSP庫(kù)供調(diào)用[4]。本系統(tǒng)采用德州儀器公司的LAUNCHPAD最小系統(tǒng)板作為主控。

1.3 SPWM合成電路

因?yàn)镸SP432單片機(jī)輸出的是方波信號(hào)，所以要合成正弦波電橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)還需要額外設(shè)計(jì)模擬濾波電路和驅(qū)動(dòng)緩沖電路。本設(shè)計(jì)中需要產(chǎn)生的正弦波頻率設(shè)定為5 000 Hz，所以在MSP432的PWM輸出口需要設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為5 000 Hz的低通濾波器。設(shè)計(jì)采用一階的低通濾波，根據(jù)一階低通濾波的計(jì)算公式F=1/(2πRC)，本系統(tǒng)通過(guò)兩次濾波系統(tǒng)選取R1、C1、R2、C2的值。運(yùn)算放大器選擇德州儀器的TLV2372。SPWM濾波電路如圖2所示。

圖2 SPWM濾波電路圖

1.4 電橋及放大電路

電子秤采用懸臂梁的測(cè)量方式，電橋采用通用的惠斯登半臂電橋。根據(jù)半臂橋的測(cè)量原理，電橋輸出電壓為：

其中，R2、R3為應(yīng)變片電阻，R1、R4為精密電阻，ΔR為壓力引起的電阻變化，E為常數(shù)，U0為電壓輸出[5]。所以，這里放大部分采用兩級(jí)放大，根據(jù)測(cè)量的范圍和精度要求，第一級(jí)放大器設(shè)計(jì)為10倍放大，第二級(jí)3倍放大，總體放大30倍。電橋及其放大電路如圖3所示。

圖3 電橋及放大電路圖

1.5 AD采集電路部分設(shè)計(jì)

根據(jù)奈奎斯特采樣定律，MSP432單片機(jī)采樣的信號(hào)頻率是5 kHz，所以AD轉(zhuǎn)換器前的濾波器截至頻率應(yīng)該為10 kHz。采樣濾波器的電路設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 AD采集前端電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字鎖相放大器

鎖相放大器可以分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器兩種。它們的理論基礎(chǔ)基本相同。正交數(shù)字鎖相放大器的原理如圖5所示[6-7]。

圖5 數(shù)字鎖相放大器原理圖

MSP432單片機(jī)AD采樣的信號(hào)為輸入信號(hào)，因?yàn)殡姌蛏系牟罘州敵鲂盘?hào)為正弦信號(hào)，所以設(shè)該信號(hào)為 S(t)=Asin(ωt+θ)+N(t)，其中正弦分量 Asin(ωt+θ)為壓力傳感器上的有用信號(hào)，N(t)為電路放大濾波過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。設(shè)計(jì)鎖相放大器的目的是有效放大有用信號(hào)和剔除噪聲信號(hào)。在數(shù)字鎖相放大器中產(chǎn)生與輸入信號(hào)同頻的參考信號(hào)R1(t)=Bsin(ωt)，將這個(gè)參考信號(hào)移相90°，可以得到另一正交的參考信號(hào)R2(t)=-Bcos(ωt)，進(jìn)而得到這兩個(gè)正交的參考信號(hào)，將它們分別與輸入進(jìn)行相乘得到兩個(gè)輸出U1(t)、U2(t)：

對(duì)U1(t)、U2(t)中的交流信號(hào)進(jìn)行濾波處理，可以得到直流分量Vout1、Vout2：

將參考信號(hào)的幅度B設(shè)置為1，對(duì)U1(t)、U2(t)兩個(gè)正交信號(hào)分別取模、取反正切，可以得到被提取信號(hào)的幅值A(chǔ)和相位θ：

通過(guò)計(jì)算式（5）可以發(fā)現(xiàn)，鎖相放大器可以有效放大輸入信號(hào)的幅值和濾除噪聲分量N(t)[8-9]。

2.2 程序設(shè)計(jì)

目前，大多數(shù)數(shù)字鎖相放大器的數(shù)字信號(hào)處理都是在DSP或者FPGA等高端芯片中設(shè)計(jì)的，在MSP432、STM32等低速ARM核芯片內(nèi)部運(yùn)行數(shù)字鎖相放大算法的應(yīng)用案例極少。程序的主要過(guò)程包括SPWM的產(chǎn)生、AD信號(hào)采集、數(shù)字乘法器以及參考信號(hào)的產(chǎn)生等。SPWM信號(hào)的產(chǎn)生采用MSP432內(nèi)部的16位定時(shí)器，通過(guò)查表的方式產(chǎn)生。AD采集的頻率設(shè)定在5 000 Hz，對(duì)MSP432單片機(jī)要想實(shí)時(shí)處理數(shù)字鎖相的算法存在的一定困難。所以，在程序中通過(guò)乘法運(yùn)算得到U1(t)、U2(t)信號(hào)后，需要對(duì)U1(t)、U2(t)分別進(jìn)行兩次濾波處理。第一次濾波后，程序抽取第一次濾波后的信號(hào)，接著對(duì)抽取后的信號(hào)進(jìn)行第二次濾波，這樣相對(duì)于一次性濾波可以大大減少濾波器的階數(shù)，從而降低對(duì)處理器主頻和存儲(chǔ)器的要求。程序中的大量FIR濾波過(guò)程可以通過(guò)德州儀器公司提供的MSP_DSP庫(kù)完成。這種設(shè)計(jì)可以大大降低程序的設(shè)計(jì)難度，程序的主要數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程完成后可以得到幅值A(chǔ)，通過(guò)幅值A(chǔ)可以進(jìn)一步計(jì)算物體的重量。整個(gè)程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

3 檢測(cè)結(jié)果分析

為了測(cè)試質(zhì)檢秤的精度，實(shí)驗(yàn)選取物理實(shí)驗(yàn)中的高精度砝碼作為被測(cè)試件，測(cè)量范圍為0.00～500.00 g，每間隔50 g測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)10次，取10次測(cè)量中各測(cè)試點(diǎn)最大誤差，每次測(cè)量保留數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后的兩位，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得知，系統(tǒng)在0.00～500.00 g的范圍內(nèi)可以達(dá)到0.1 g的測(cè)量精度，整個(gè)系統(tǒng)精度相對(duì)較高，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 質(zhì)量測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于MSP432的高精度質(zhì)檢秤，采用數(shù)字鎖相放大器的微弱信號(hào)檢測(cè)手段，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以大大減少模擬鎖相放大器設(shè)計(jì)中的電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)電路簡(jiǎn)潔，穩(wěn)定性高，檢測(cè)速度快，檢測(cè)精度高，為新型的高精度質(zhì)檢秤設(shè)計(jì)提供了一種有用參考。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的濾波抽取法構(gòu)成的數(shù)字鎖相放大器方法，也為數(shù)字鎖相放大器在低速32位單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)提供了一種參考。未來(lái)可以拓展相應(yīng)的存儲(chǔ)模塊，將高精度質(zhì)檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)或上傳，有利于糧儲(chǔ)部門(mén)對(duì)糧食安全的監(jiān)管和追溯。