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0引言

稱重計量技術(shù)在冶金、交通、電力、建材和化工 等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)過程或工藝 流程中，對各種配料稱重、定量稱重及動態(tài)稱重技 術(shù)的要求越來越高。衡器已成為工藝技術(shù)、預(yù)包裝 技術(shù)、收發(fā)貨業(yè)務(wù)及商貿(mào)行業(yè)中必不可少的組成部 分，稱重傳感器及智能稱重儀表作為衡器的心臟部 件，在工業(yè)過程控制和貿(mào)易結(jié)算等方面倍受 重視⑴。

目前，稱重傳感器主要分為壓電式、壓磁式和 電阻應(yīng)變式，其中電阻應(yīng)變式稱重傳感器是現(xiàn)階段 應(yīng)用廣泛、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高且技術(shù)成熟的稱重 傳感器⑴。它利用金屬彈性體的應(yīng)變效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn) 換，在力的作用下，彈性體發(fā)生形變，帶動應(yīng)變片 發(fā)生形變，產(chǎn)生電阻的變化，電阻的變化反映力的 大小。

為了解決傳統(tǒng)稱重儀表設(shè)計方法上的不足，本 文對國產(chǎn)基手CSU60和ATmegal6L設(shè)計的智能稱 重儀表結(jié)構(gòu)原理介紹如下。

1簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計

在給定激勵電壓10-12V的條件下，電阻應(yīng)變 式稱重傳感器的輸出電壓在0 ~30mV,如此微弱的 信號只有在智能稱重儀表的配合下，將傳感器的信 號轉(zhuǎn)化成重量，并通過各種通信接口輸出給上位 機(jī)^[2~^4]o稱重儀表的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示⑸。信號 調(diào)理電路主要由濾波電路、抗混疊電路等組成；放 大電路主要由運(yùn)算放大器構(gòu)成，用來將毫伏級信號

放大到伏級，以便A/D電路將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。

 

圖1稱重儀表組成結(jié)構(gòu)

 

上述電路中，半導(dǎo)體集成度不高、器件多、溫度 補(bǔ)償不好控制并且可靠性低。而由深圳生產(chǎn)的 CS1160是16位高精度、低功耗Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn) 換芯片，可以在2.7 -5.5V電源電壓條件下工 作⑸。CS1160的1 ~128倍可編程增益放大器，當(dāng) 工作在128倍時，CS1160有效分辨力可達(dá)16bits_o 備有一個二階Sigma-Delta調(diào)制器，芯片的FIR濾波 器提供50Hz和60Hz陷波濾波，有效提高了芯片的 抗干擾性能。

該芯片不僅集成了信號調(diào)理電路、放大電路和 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，還提供了非常適合儀表產(chǎn)品的校正 功能。因此，可將圖1簡化為圖2所示的設(shè)計 簡圖。

2改進(jìn)硬件設(shè)計

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，微控制器（MCU） 的性能大幅度提高，為高度智能化儀表的設(shè)計制造 提供了平臺。本文智能稱重儀表設(shè)計采用Atmel公 司的ATmegal6L高性能、低功耗8位AVR微處理 器。它采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，工作于16MHz時性

 

圖2稱重儀表設(shè)計簡圖

能高達(dá)16MIPS；內(nèi)置16kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、 512B 的 EEPROM、lkB 的片內(nèi) SRAMJTAG 接口支 持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能;2個8位定時器/計數(shù)器、1 個1位定時器/計數(shù)器、4通道PWM、8路10位 ADC.TWI兩線接口、SPI串行接口、串行USART接 口等。

基于CS1160和ATmegal6L設(shè)計的智能稱重 儀表具備以下特點(diǎn)：自動調(diào)零、自動平衡、自動補(bǔ) 償和自選量程等信息處理功能;數(shù)據(jù)自動采集、預(yù) 處理、相關(guān)濾波，且由傳感器本身消除異常值和例 外值，提供比傳統(tǒng)傳感器更全面、更真實的信息； 能夠隨機(jī)標(biāo)定;具有一定程度的記憶與處理功能， 內(nèi)含特定算法并可根據(jù)需要進(jìn)行改變；能輸出數(shù) 字信號，具有遠(yuǎn)程通信能力和良好的人機(jī)界面。 依照上述要求設(shè)計的智能稱重儀表外圍電路如圖 3所示。集成芯片CS1160有16個管腳，模擬電 源(+12V, AGND)、數(shù)字電源(卩cc, DGND)、參考 電壓(匕Q都是單獨(dú)分開的，數(shù)模轉(zhuǎn)換的時鐘由一 個4.9152MHz外部晶振實現(xiàn)，參考電壓5 V由 TI431提供，所以R,。和R”選擇了 IO®精度的等 值27kfl電阻。電阻應(yīng)變傳感器的激勵電壓選擇 + 12V直流，差分信號經(jīng)阻容濾波電路后接到 CS1160的AIN₀和AIN］兩端。CS1160芯片的 DRDY、SCLK、SDO、SDI、CS引腳分別是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 就緒、串行時鐘、串行數(shù)據(jù)輸出、串行數(shù)據(jù)輸入、片 選，它們與MCU的SPI接口連接，用來讀寫控制 CS1160,完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。

主控MUC釆用ATmegal6L高性能AVR芯片， 外部晶振采用7. 3728MHz,方便在線調(diào)試和程序燒 錄;LCM選擇了 OCMJ4X8C,其內(nèi)置一二級漢字庫、 128 x64的顯示點(diǎn)陣，可以顯示圖形和中英文字符, 而無需自建字模。該液晶還可以通過PSB控制引 腳，切換到串行方式，節(jié)省MCU的I/O引腳。

3優(yōu)化程序設(shè)計

CS1160使用了一系列指令來完成對芯片的工 作模式、工作速度和誤差校正等的控制。接收數(shù)據(jù) 時總是高位在前,發(fā)送數(shù)據(jù)的格式則由ACR寄存器 的BITORDER位來決定。CS1160指令描述如表1 所示。

1)數(shù)據(jù)讀取函數(shù)的編寫如下：

void spi_init( void)

i

SPCR = 0x00 ； // diable spi

SPSR=0x00； 〃2X

SPCR = 0x52 ； //setup SPI

 

2)將SPI接口初始化完畢后，就可以通過對 SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDR的操作，完成CS1160指令。 下面是讀取CS1160數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果的函數(shù)，使用的 是RDATA指令：

Unsigned int ReadData( void)

I

cs=o；〃片選

unsigned char i =0;

unsigned int data =0; 〃返回值變量

unsigned char tmp = 0;〃臨時變量存放中間值 while(DRDY)；〃當(dāng)DRDY為高時，不讀取數(shù)據(jù) SPDR=0x01；〃將命令寫入SPI寄存器，同時開始 寫到CS1160

while( ! ( SPSR&0x80))；〃等待發(fā)送完畢 tmp=SPSR；〃清除發(fā)送標(biāo)志

tmp = SPDR； 〃丟棄該數(shù)據(jù)

SPDR=0x00；

while( ! ( SPSR & 0x80)); 〃繼續(xù)輸入讀數(shù)脈沖 tmp = SPSR ；

tmp = SPDR ；〃丟棄該數(shù)據(jù)

SPDR =0x00；

while( ! ( SPSR & 0x80)); 〃繼續(xù)輸入讀數(shù)脈沖 tmp 二 SPSR ；

data = SPDR ；

data = data < < 8 ； 〃讀取高8位數(shù)據(jù)

SPDR = 0x00 ；〃高8位置于高位

while( ! ( SPSR & 0x80)); 〃繼續(xù)輸入讀數(shù)脈沖 tmp = SPSR ；

data I = SPDR； 〃低8位置于低位

CS = 1；〃取消片選

return data; 〃返回結(jié)果

I

3)指令RREG和WREG與指令RDATA操作 方式類似：

Void WriteCommand(unsigned char Comm)

I

SPDR = Comm； 〃寫入命令 while ( ! ( SPSR & 0x80))； tmp = SPSR ；

I

4結(jié)束語

通過使用CS1160集成芯片，配以ATmegal6L 高性能單片機(jī)，不僅簡化了稱重儀表的設(shè)計、降低 了產(chǎn)品成本、提高了可靠性，而且在實際生產(chǎn)應(yīng)用 中效果良好。另外，在應(yīng)用過程中，有些功能不能 夠很好地滿足現(xiàn)場的需求，比如，由于現(xiàn)場條件限 制，對傳感器的標(biāo)定方法還不夠靈活、系統(tǒng)電源的 抗干擾能力較差等，需要進(jìn)一步開發(fā)研究。

 

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