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1 概述

隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展 ,傳統(tǒng)的機械式稱重儀表正逐步被基于嵌入式技術(shù)的電子稱重儀表所取代。電子稱重儀表具有性能可靠、 體積小巧、易于安裝使用等特點 ,被廣泛地用于各種計量、 定量稱重系統(tǒng)中 [1] 。目前稱重儀表重要的發(fā)展趨勢是采用模塊化設(shè)計， 通過硬件或軟件的積木式組合來實現(xiàn)不同的功能需求。例如用戶提出的要求后， 只需在儀表機箱里選用不同的電路板組合或更改代碼儲存芯片。本文設(shè)計的儀表中模擬量采集與控制模塊主要負(fù)責(zé)稱重傳感器數(shù)據(jù)采集和邏輯控制， 其中A/D轉(zhuǎn)換芯片選用美國某公司的CS5532ASZ； 儀表顯示屏采用高清晰度和高亮度、 使用壽命長的真空熒光顯示屏， 且選用VFD專用控制／驅(qū)動芯片CS16312， 該芯片集成了VFD顯示控制、 按鍵控制、 LED顯示控制等功能。VFD顯示模塊并采用單獨的微處理器， 使得顯示屏通用性很強； Ethernet接口模塊采用通用型串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備ZNE-10T， 將儀表RS232網(wǎng)絡(luò)升級到Internet網(wǎng)絡(luò)。電源模塊選用美國某公司的TOP224Y芯片設(shè)計單片集成電源電路， 具有效益高、 性能指標(biāo)高、 可實現(xiàn)多路輸出等優(yōu)點。儀表中各個模塊相對獨立， 模塊之間通訊采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口， 方便根據(jù)需求組合， 例如儀表應(yīng)用場所沒有以太網(wǎng)接入口， 因為使用標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口， 儀表數(shù)據(jù)傳輸則可以選擇近距離直接與計算機的COM口連接或者遠(yuǎn)距離外加RS232轉(zhuǎn)RS485的模塊連接到其他的控制器上。同時， 標(biāo)準(zhǔn)的接口也使得方便將儀表模塊用具有類似功能的產(chǎn)品替代， 如用戶打算使用觸摸屏顯示操作， 只需將帶有RS232接口觸摸屏代替現(xiàn)有的VFD顯示模塊即可。

2 系統(tǒng)設(shè)計

儀表分為五個部分模擬量采集與控制、 VFD(真空熒光顯示屏)顯示、 Ethernet接口、 IO擴展接口及電源。
 

2.1 電源模塊

真空熒光顯示屏 （VACUUM FLUORESCENT DISPLAY） 是從真空電子管發(fā)展而來的顯示器件， 由發(fā)射電子的陰極 （直熱式， 統(tǒng)稱燈絲） 、 加速控制電子流的柵極、 玻璃基板上印上電極和熒光粉的陽極及柵網(wǎng)和玻蓋構(gòu)成。在燈絲兩端加上規(guī)定的燈絲電壓， 使陰極溫度達(dá)到6000C左右而放射熱電子， 再將陽極加上正電壓， 因柵極的作用而放射熱電子加速， 將會互相沖擊而激發(fā)熒光粉， 而使熒光粉發(fā)光 [4] 。

根據(jù)上面敘述， 再結(jié)合采集控制模塊、 Ethernet接口模塊供電， 將整個儀表需要的供電情況匯總?cè)缦卤恚?/span>

基于上述要求， 本儀表選用美國某公司TOPSwitch系列單片開關(guān)電源芯片， 該系列芯片具有集成PWM控制器和MOS?FET 功率開關(guān)管、 支持極寬的輸入交流電壓和頻率范圍、 外圍電路簡單， 成本低廉， 芯片本身功耗低， 電源的總體效率可達(dá)80％等特點 [2] 。

模擬量采集與控制板和VFD顯示板都需要+5V電壓供電， 且采集板上A/D轉(zhuǎn)換要求模擬量參考電壓要求較嚴(yán)格， 為了不相互影響， 分成兩路供電。根據(jù)兩塊板功率要求， 設(shè)計一路10V/0.4A電壓經(jīng)過LM340T5轉(zhuǎn)換給模擬量采集與控制板供電， VFD顯示板則采用12V/0.3A經(jīng)LM340T5轉(zhuǎn)換供電。輸入輸出板需要的+24V電壓則直接設(shè)計一路24V/0.3A。

根據(jù)VFD顯示供電要求， 首先設(shè)計一路-37V/0.3A電壓經(jīng)過LM317轉(zhuǎn)化成-30V， 作為CS16312EN的參考電壓， 再使用4.7V穩(wěn)壓管將電壓拉升成-25V接到燈絲一端， 而燈絲之間3.3V/145mA壓差則是在-25V電壓的基礎(chǔ)上反串上電壓為3.3V的不共地電壓， 這樣就可獲得燈絲另一端-21.7V電壓。經(jīng)過實驗測試驗證， 該VFD供電方案可行。

2.2 模擬量采集與控制模塊

 模塊主要包含模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和MCU及其他外圍電路。
 

稱重儀表精度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率。A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇對決定儀表性能至關(guān)重要， 本文儀表選用某公司的CS5532ASZ轉(zhuǎn)換器， 該芯片是高集成度的ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 應(yīng)用了電荷平衡技術(shù)， 其分辨率達(dá)到24位。芯片內(nèi)部有一個極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器， 最大增益高達(dá)64倍。該ADC非常適合測量稱重儀表、 過程控制、 科學(xué)和醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的單/雙極性小信號 [3] 。

圖中稱重傳感器模擬信號接入ADIN+、 ADIN-， 經(jīng)過有電容電感組成的濾波網(wǎng)絡(luò)消除高頻干擾后送入通道1。模擬信號在CS5532中經(jīng)過放大、 模數(shù)轉(zhuǎn)換、 濾波， 最后數(shù)字信號從SDO輸出到MCU， 等待進一步處理。MCU通過SDI線對CS5532進行通道選擇、 前置放大器增益、 校正方式以及數(shù)據(jù)輸出頻率等設(shè)置。SDI和SDO是在時鐘信號SCLK的配合下進行讀寫操作， CS是片選信號，低電平有效。CS5532與MCU的具體連接如圖3所示。模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一個精確穩(wěn)定的模擬量參考電壓， 本儀表選使用DC-DC器件ZY0505BD產(chǎn)生隔離5V電壓再采用基準(zhǔn)電壓芯片LM236-2.5等到精確穩(wěn)定的2.5V參考電壓。

本儀表的主控制器選用某公司MSP430F147， 該單片機具有超低功耗、 16位RISC結(jié)構(gòu)、 強大的處理能力、 系統(tǒng)工作穩(wěn)定等特點。為使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行， 使用帶I2C串行CMOS E2PROM、 精密復(fù)位控制器和看門狗定時器的監(jiān)控芯片CAT1161， 且儀表掉電仍需保存的數(shù)據(jù)存儲在 CAT1161 自帶的 16K E2PROM 中。另外與 VFD 顯示模塊、 以太網(wǎng)接口模塊通信接口選用某公司的MAX202CSE。模塊中IO電路與IO擴展電路原理一樣， 故在IO擴展模塊中講述。

2.3 VFD顯示模塊

 AT89C52與VFD專用控制芯片CS16312EN通信是使用了三根口線。P1.0與CS16312的DIN相連用于數(shù)據(jù)輸入。P1.1與DOUT相連用于數(shù)據(jù)輸出。P1.2與CLK相連， 產(chǎn)生串行時鐘信號。P1.3與STB相連， 產(chǎn)生數(shù)據(jù)/命令識別信號。DOUT口是N溝道開漏輸出， 故外接4.7K上拉電阻。CS16312芯片內(nèi)建了OSC， 振蕩頻率由外接電阻決定， 電阻典型值為51K。CS16312的7根GRID線分別接到VFD的柵極 （grid） G1--G7,13根SEG線與VFD的陽極(anode)P1—P13相連。動態(tài)掃描顯示由CS16312內(nèi)建硬件電路自動完成。GRID線循環(huán)輸出柵極掃描信號， SEG線輸出取之內(nèi)部顯示RAM區(qū)與之對應(yīng)的顯示信號 [4] 。 
 

引腳KEY1～KEY4和SK1～SK6可以一起構(gòu)成4×6鍵盤掃描電路， 在顯示周期的末端掃描數(shù)據(jù)將存儲在鍵值數(shù)據(jù)RAM內(nèi)， 24個按鍵使用3個字節(jié)存儲。本儀表數(shù)字鍵和功能鍵一共有20個， 所以設(shè)計了4×5鍵盤掃描電路。CS16312的LED驅(qū)動鎖存器的低4位對應(yīng)于LED0～LED3引腳， 每個引腳的最大驅(qū)動能力為20mA。當(dāng)其值為0時， LED燈亮； 值為1時， LED燈滅。

2.4 Ethernet接口模塊

 Ethernet接口模塊電路的核心元件是ZNE-10T， 該元件是廣州某有限公司開發(fā)的一款嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備， 它內(nèi)部集成了TCP/IP 協(xié)議棧， 用戶利用它可以輕松實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能 [5] 。ZNE-10T具有10M以太網(wǎng)接口， 最大115200bps的串口波特率， 多種工作方式(UDP、 TCPServer、TCPClient)， 功耗小于200mW等特性。ZNE-10T使RS232或RS485網(wǎng)絡(luò)升級到以太網(wǎng)， 使得向以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)等同串口傳輸數(shù)據(jù)(配置好模塊的IP地址、 子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、 串口波特率等參數(shù))。選用ZNE-10T大大縮短了儀表開發(fā)周期， 且設(shè)備價格不高。 

J0是帶兩個LED燈的以太網(wǎng)RJ45接口， ZNE-10T設(shè)備中引腳LED_RXD和LED_TXD是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送接收指示燈輸出口， 所以將兩引腳連接在RJ45接口LED燈上用于指示發(fā)送接收狀態(tài)。圖中D1是水晶頭連接正常指示燈。ZNE-10T設(shè)備引腳TXD和RXD是串口信號接收發(fā)送口， 使用ZNE-10T時， RXD、 TXD直接和MSP430的UTXD1、 URXD1相連。注意使用時要將模擬量采集與控制板上的跳線帽拔除， 使得UTXD1、 URXD1引腳不與MAX202相連， 以免串口通訊收到干擾。另外RST_H引腳用于ZNE-10T設(shè)備復(fù)位， 低電平有效， 直接與MSP430的P6.4引腳。

2.5  IO擴展模塊

輸入輸出電路選用鎖存器74HC373， 該芯片具有三態(tài)總線驅(qū)動能力。因為MSP430F147所有端口都是雙向口線， 本儀表選用P4端口作為輸出端口， P5端口作為輸入端口。74HC373鎖存信號LE由P6.1、 P6.2、 P6.3經(jīng)3-8譯碼器74HC138獲得。輸入輸出都采用光耦隔離， 增強抗干擾性。其中輸出電壓外接， 即輸出電壓可以根據(jù)需要連接， 最大耐壓為50V。

3 結(jié)束語

本儀表性能穩(wěn)定、 設(shè)計合理、 功能強大、 使用靈活,能廣泛應(yīng)用于各種稱重現(xiàn)場,滿足不同用戶的需要， 應(yīng)用前景廣闊。其合理的硬件模塊化設(shè)計、 便捷的Internet網(wǎng)絡(luò)接入、 美觀的VFD人機界面設(shè)計體現(xiàn)了當(dāng)前電子稱重儀表的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 浦方華, 田作華.一種基于W77E516的高精度電子稱重儀[J].測控技術(shù)， 2007,26(6):12-14.

[2] 周鴻,賈文.TOPSwitch單片開關(guān)電源的原理與應(yīng)用[J].航空計算技術(shù)， 2002,32(1):48-51.

[3] CS5532芯片數(shù)據(jù)手冊[Z].

[4] 京東方.VFD33-0701A說明書[Z].

[5] 曾一凡,曾輝.C8051F基于ZNE-100PT的以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2007(5):36-38.

 

 

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