陳良澤，秦 晴

(1.國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304； 2.天津職業(yè)技術師范大學，天津 300300)

0 引言

在生物醫(yī)學工程和生物制藥等領域，通常利用高精度電子天平進行微小質(zhì)量分析，但目前我國高精度電子分析天平的發(fā)展與世界先進水平還有不少的差距，國內(nèi)市場基本被國外產(chǎn)品壟斷。

本文利用IAR Embedded Workbench軟件編程環(huán)境完成電子天平系統(tǒng)基于MSP430F149單片機以及24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器CS5532的軟件程序設計，可以有效提高電子天平的數(shù)據(jù)處理精度，增加天平功能，提供更加靈活、方便的操作，從而提高電子天平的測量精度和智能化水平。

1 軟件總體設計

電子天平軟件總體設計包括對電子天平的功能需求進行分析，按照電子天平工作要求，明確各模塊的功能，并制定軟件的總體框架和總體軟件流程圖。

1.1 電子天平軟件功能需求

根據(jù)所要實現(xiàn)的電子天平功能需要，并結(jié)合國內(nèi)外電子天平的現(xiàn)有功能，本文所設計電子天平軟件功能包括去皮功能、校準功能、稱重功能、菜單管理功能、通信功能。其中，校準功能包括外部校準、內(nèi)部校準、基于溫度的自動校準和非線性校準4種校準方式。

稱重功能中，電子天平除了基本的稱重功能外，還具有百分比稱量、計數(shù)稱量、單位轉(zhuǎn)換等功能。利用菜單化的管理方式，通過按鍵操作可以直觀、方便地進行各項功能設置，使電子天平便于操作，更加人性化。通過RS232通信接口可以實現(xiàn)天平和計算機的通信，使整個系統(tǒng)更加方便、自動化。

1.2 軟件整體框架

電子天平的軟件程序設計包括天平應用功能的實現(xiàn)和對數(shù)據(jù)的處理算法兩個方面。因此，模塊化設計首先將電子天平功能軟件和算法軟件分開處理。

功能軟件設計中根據(jù)不同的實現(xiàn)功能，例如去皮、校準、按鍵、顯示、菜單設置等再分為單獨的子模塊，各部分程序間互不影響。對于算法程序設計也遵循將復雜算法分為簡單算法獨立進行處理的原則，各子算法之間通過特定的接口函數(shù)相聯(lián)系，相互之間只有數(shù)據(jù)傳遞關系。電子天平的總體軟件設計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)電子天平的軟件整體框架圖，對天平的軟件設計采用由子程序來完成各項功能的方式，盡可能使主程序簡單，易于調(diào)試。主程序主要實現(xiàn)電子天平的上電自檢、各模塊初始化、按鍵掃描與中斷響應、外部模塊的控制等。其他應用功能通過按鍵中斷來實現(xiàn)。在主程序運行過程中，如果有按鍵發(fā)生，則進入相應的中斷程序完成相應功能的處理，完成之后繼續(xù)運行主程序，實時顯示稱量數(shù)據(jù)。

2 主要應用功能模塊軟件設計

2.1 稱重模塊設計

電子天平默認為基本稱量方式。基本稱量功能在主程序中實現(xiàn)，默認開機完成一系列初始化操作后，電子天平進入基本稱量程序，實時采集處理A/D傳感器的測量值，然后轉(zhuǎn)化為物體質(zhì)量并在液晶屏上顯示結(jié)果。除了基本的稱量方式外，本文設計電子天平還具有百分比稱量功能和計數(shù)稱量功能。

1)百分比稱量功能。百分比稱量的原理首先是通過菜單設置進入百分比稱量模式，然后測量參考物體的質(zhì)量并進行記錄；最后測量被測物體的質(zhì)量并和參考物體質(zhì)量進行百分比計算，輸出并顯示結(jié)果。百分比稱量的參考值可以根據(jù)用戶指定物品的不同而不同，主要用于比較混合物體質(zhì)量和快速檢重等應用。

圖1 電子天平軟件設計總體結(jié)構(gòu)

2)計數(shù)稱量功能。計數(shù)稱量用于統(tǒng)計一次稱量中質(zhì)量相差不多的物體的個數(shù)。其稱量原理首先是通過菜單設置計數(shù)稱量模式；其次根據(jù)液晶屏提示選擇參考樣本數(shù)目；然后放入?yún)⒖紭颖具M行稱量；最后對需要稱量的物體進行稱量并計算數(shù)目，其中參考樣本的數(shù)目可以根據(jù)用戶需要選擇5、10、20三種。

2.2 校準模塊設計

電子天平校準分為內(nèi)部校準、外部校準、溫度觸發(fā)校準以及非線性校準4種模式。在天平首次使用或者改變使用環(huán)境以及使用一段時間后，均需要對其進行校準以保證測量精度。

1)內(nèi)部校準。內(nèi)部校準是基于電子天平內(nèi)置標準砝碼實現(xiàn)的自動校準。其基本原理是通過菜單選項設置校準方式為內(nèi)部校準，當按鍵執(zhí)行校準時，天平啟動內(nèi)部自動校準程序，利用電子天平內(nèi)部自動加卸載砝碼機構(gòu)實現(xiàn)對天平的校準。

2)外部校準。在電子天平使用過程中，通常采用外部校準的方式對其進行校準。外部校準是使用者利用外部標準砝碼手動加卸載實現(xiàn)的校準方式。同內(nèi)部校準方式一樣，首先要對校準方式進行設置；然后根據(jù)液晶屏提示完成外部校準操作。

3)溫度觸發(fā)校準。由于本文設計高精度電子天平測量結(jié)果受溫度影響較大，因此設計基于溫度變化較大時的自動校準功能。溫度觸發(fā)校準需要設定一個溫差閾值ΔT，開啟溫度觸發(fā)校準檢測后，若本次測量溫度值與上次校準時記錄的溫度值之差超過所設定溫差閾值ΔT時，即啟動溫度觸發(fā)校準功能，調(diào)用內(nèi)部校準程序?qū)﹄娮犹炱竭M行校準，完成校準后記錄本次溫度值作為下次校準溫度參考值。

4)非線性校準。非線性校準主要是針對電子天平測量的線性誤差進行校準。當電子天平首次使用或者移動位置后均需要重新進行非線性校準以保證測量精度。進入非線性校準界面后，液晶顯示屏會指示操作者加卸載不同質(zhì)量的砝碼完成校準過程。

3 數(shù)據(jù)處理軟件設計

電子天平數(shù)據(jù)處理軟件設計主要包括數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)預處理部分程序設計。本設計利用高精度A/D處理器對電子天平傳感器輸出數(shù)據(jù)進行采集，然后對測量的數(shù)據(jù)進行一些數(shù)據(jù)預處理，提高了測量系統(tǒng)的抗干擾性，保證了測量數(shù)據(jù)的精度，通過軟件算法對數(shù)據(jù)進行處理彌補了硬件數(shù)據(jù)處理的一些不足之處。

3.1 稱重數(shù)據(jù)采集程序

本文選擇具有低噪聲、高集成度的Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5532，通過單片機的3個I/O口模擬SPI操作時序?qū)/D轉(zhuǎn)換器進行讀寫操作。

CS5532轉(zhuǎn)換器不具有上電復位功能，因此需要利用軟件對其進行初始化。軟件初始化采用執(zhí)行串口實現(xiàn)，其具體過程首先是設置配置寄存器的RS(系統(tǒng)復位)位為1；然后向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送15個字節(jié)的SYNC1(0xFFH)，接著再發(fā)送1個字節(jié)的SYNC0(0xFEH)，就可以完成A/D的串口初始化，完成初始化后，RS位自動配置為0，串口進入命令模式。

CS5532轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一個32位的配置寄存器、4個32位通道設置寄存器、4個32位偏移寄存器和4個32位增益寄存器。在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換前，首先需要對寄存器進行配置。完成系統(tǒng)初始化和寄存器配置后就可以進行A/D數(shù)據(jù)的采集，本文采用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式進行數(shù)據(jù)采集。每一次模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后需要40個SCLK讀轉(zhuǎn)換結(jié)果，其中前8個SCLK 用于清SDO標志，后32個SCLK用于讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。采集和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果存放在24的轉(zhuǎn)換寄存器中，然后通過對A/D讀數(shù)據(jù)操作取出并進行后續(xù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)預處理程序設計

由于本設計的電子天平具有較高的精度要求，因此為了減少測量數(shù)據(jù)受到各種因素干擾，提高電子天平的測量精度和穩(wěn)定性，需要對由CS5532轉(zhuǎn)換輸出得到的稱重數(shù)據(jù)進行預處理。本文對稱重數(shù)據(jù)的預處理算法主要采用去干擾平均濾波算法和快速穩(wěn)定算法。

A/D測量數(shù)據(jù)采用連續(xù)轉(zhuǎn)換的方式，因此存在大量的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)電子天平的設計需要，采用基于去極值平均濾波和移動平均濾波2種數(shù)字濾波算法的去干擾平均濾波算法。根據(jù)去極值平均濾波和移動平均濾波的特點，在移動平均濾波之前加上去極值平均濾波作為適用于本設計中電子天平的去干擾平均濾波算法，既克服了去極值平均濾波數(shù)據(jù)更新慢的缺點，也保證了移動平均濾波對隨機性干擾有良好的抑制作用。

具體實現(xiàn)為：進行去極值平均濾波。首先進行N次連續(xù)A/D數(shù)據(jù)采樣，根據(jù)所設定稱量結(jié)果顯示速度不同以及設定的靈敏度，N的取值為10、20、30、40共4個等級，其中10次采樣為顯示速度最快，靈敏度最高。然后對N次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行去極值平均濾波，去除N次采樣中的(N/5)個誤差較大值，對于不同的N值，去除的采樣值個數(shù)不同。最后對剩下的采樣值進行求平均得到一個去極值平均濾波的測量值yn(n表示第n次去極值平均濾波的采樣值)。

4 軟件測試

由于電子天平整體硬件電路系統(tǒng)比較復雜，難以調(diào)試，因此本文通過搭建簡單的MSP430單片機控制系統(tǒng)對所設計的軟件程序主要功能進行測試以檢驗是否滿足設計要求。測試內(nèi)容主要包括A/D數(shù)據(jù)采集與處理程序、液晶屏顯示以及菜單管理操作程序的實現(xiàn)等。

首先根據(jù)電子天平A/D轉(zhuǎn)換器測量原理建立A/D測量電路；其次利用現(xiàn)有的MSP430最小系統(tǒng)以及液晶顯示模塊和按鍵模塊搭建軟件測試硬件電路；然后在IAR Embedded Workbench環(huán)境中利用USB型MSP430仿真器進行FET Debugger聯(lián)機調(diào)試，單片機和仿真器通過JTAG口連接，將所編寫的源程序先下載到Flash ROM中；最后在單片機中實時運行程序，同時在調(diào)試時可以實時查看程序運行狀態(tài)以及各端口、寄存器和變量的值。進行測試之前，需要對調(diào)試環(huán)境進行設置，選擇相應的單片機和仿真器類型，設置完成后就可以開始對程序進行測試。

點擊運行程序，初始化完成后液晶屏顯示全部字符。在稱量狀態(tài)下按下開機鍵進入菜單設置界面，通過去皮鍵可以選擇設置不同的選項，校準鍵進入下級菜單，從而能夠?qū)Σ煌墓δ苓M行具體的測試。

5 結(jié)語

針對目前高精度電子天平軟件功能單一、數(shù)據(jù)處理算法簡陋等缺點，通過分析電子天平的軟件設計需求，對電子天平系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化設計的原則，完成了基于MSP430單片機的電子天平軟件程序設計，為電子天平系統(tǒng)設計了豐富的應用功能，同時為了提高了電子天平的測量精度，彌補硬件電路的不足，設計了測量數(shù)據(jù)預處理軟件算法，并利用現(xiàn)有的電磁力平衡傳感器系統(tǒng)，搭建了MSP430最小系統(tǒng)和A/D數(shù)據(jù)采集電路，對所設計的電子天平的軟件程序進行測試，通過實際測試驗證了本文設計的軟件程序可以實現(xiàn)相應的功能。