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0引言
稱重計(jì)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(duì)各種配料稱重、定量稱重及動(dòng)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(dòng)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(jì)方法上的不足，本文對(duì)國(guó)產(chǎn)基手CSU60和ATmegal6L設(shè)計(jì)的智能稱重儀表結(jié)構(gòu)原理介紹如下。
1簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在給定激勵(lì)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(hào)只有在智能稱重儀表的配合下，將傳感器的信號(hào)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(hào)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(jí)信號(hào)
放大到伏級(jí)，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(shí)，CS1160有效分辨力可達(dá)16bitso備有一個(gè)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(hào)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(jiǎn)化為圖2所示的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。

圖2稱重儀表設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖
2改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)
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(jì)制造提供了平臺(tái)。本文智能稱重儀表設(shè)計(jì)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(shí)性能高達(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(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)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(jì)的智能稱重儀表具備以下特點(diǎn)：自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)平衡、自動(dòng)補(bǔ)償和自選量程等信息處理功能;數(shù)據(jù)自動(dòng)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(shí)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(hào)，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(jì)的智能稱重儀表外圍電路如圖3所示。集成芯片CS1160有16個(gè)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(shí)鐘由一個(gè)4.9152MHz外部晶振實(shí)現(xiàn)，參考電壓5V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(lì)電壓選擇+12V直流，差分信號(hào)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(shí)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(jí)漢字庫、128x64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(jì)
CS1160使用了一系列指令來完成對(duì)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(shí)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：
voidspi_init(void)
i
SPCR=0x00；    //diablespi
SPSR=0x00；    〃2X
SPCR=0x52；    //setupSPI

2)將SPI接口初始化完畢后，就可以通過對(duì)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：
UnsignedintReadData(void)
I
cs=o；〃片選
unsignedchari=0;
unsignedintdata=0;〃返回值變量
unsignedchartmp=0;〃臨時(shí)變量存放中間值while(DRDY)；〃當(dāng)DRDY為高時(shí)，不讀取數(shù)據(jù)SPDR=0x01；〃將命令寫入SPI寄存器，同時(shí)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；
dataI=SPDR；〃低8位置于低位
CS=1；〃取消片選
returndata;〃返回結(jié)果
I
3)指令RREG和WREG與指令RDATA操作方式類似：
VoidWriteCommand(unsignedcharComm)
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(jiǎn)化了稱重儀表的設(shè)計(jì)、降低了產(chǎn)品成本、提高了可靠性，而且在實(shí)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(chǎng)的需求，比如，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，對(duì)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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