引 言

称重显示控制器是电子衡器的重要基础部件 , 它直接影响电子衡器及电子称重系统的功能和性能, 反映着称重计量的技术水平。流量秤称重显示控制器是一种对秤筒和流量调节器所流过的物料流量进行检测与控制的仪表。通过检测秤斗重量变化来计算物料流量, 据此来改变流量调节器参数, 从而达到流量控制的目的。由于流量秤的计量速度快, 所以具有很广泛的应用。当前, 市场上的定量秤和配料秤较多,而流量秤相对较少, 需要完善的地方也较多,概括起来有以下几个方面: ①非线性误差较大。这将使称重值与实际值相差很大, 从而造成计量精度低。 ② 功耗大。一方面控制器的温度升高影响整个硬件电路, 另一方面也会影响元器件的使用寿命和整个控制器的性能。综合考虑到上述情况, 笔者设计了以 ADS1216 为模数转换器的称重显示控制器。 ADS1216 是采用 △- ∑模数转换技术, 具有高精度、宽动态范围,有效的提高了控制器的精确度和可靠性, 同时也降低了控制器的功耗, 很大程度上提高了控制器的性价比。本文阐述了控制器的相关知识,对测量部分的放大电路和滤波电路进行了设计,并着重讨论了 ADS1216 在称重显示控制器中的应用。

1 控制器的工作过程及其称重原理

1.1 控制器的工作过程

控制器上电后, 在称重工作状态下,按键输入密码后, 便可进行系统设定和参数设定。称重时, 外部开关量输入运行有效信号,仪表进入运行工作状态。称重显示控制器根据预先设定的参数对秤体进行控制。称重传感器的信号经 A/D 转换器 ADS1216 模数转换后, 输入单片机, 单片机进行处理和计算,通过显示器显示出此时物料的流量, 累计称重值等。若此时称重显示控制器检测到的称重传感器的信号经转换后不满足预先设定参数的要求, 控制器则会调节卸料口的大小来改变流速, 从而达到预设的要求。当累加后的总重量达到了预设总重量值后, 喂料机停止喂料,流量秤再次进入非称重工作状态。继续进行参数设置后, 便可进行下一次称重。

1.2 称重原理

称重控制器的称重信号始于称重传感器,所以传感器的测量精确度及接线形式直接关系到控制器的性能。在传感器串并联方式的选择上,笔者选择了传感器并联的形式。原因有以下几个方面: 一是传感器并联后其输出阻抗较串联方式大大减小; 二是测量系统的抗干扰能力明显增强; 三是并联方式测出的数据较串联方式稳定可靠得多。如果传感器电桥实加桥压与 A/D 转换器基准电压的比值恒定, 则传感器并联方式的测量精确度将不受电压绝对值及其变化的影响, 这种称重方式即所谓的比率型称重方式。这种方式是保证称重显示控制器质量优良的先决条件。所以为了实现比率型称重方式,

我们在传感器和仪表的联线上采用六线制接法, 从而解决了高精度测量问题[ 3 ] 。

2 称重显示控制器总体硬件结构

控制器的硬件主要包括 CPU 模块、运放及滤波模块、 A/D 模数转换模块、按键输入模块、液晶显示模块、开关量模块及通讯模块等。其总体结构如图 1 所示。单片机 STC89 用于对 A/D 转换后的数字信号、按键信号、开关量信号进行处理、对称重过程进行控制、对在液晶显示器上设置的参数进行储存、并通过 RS485 和工控机、打印机等进行通讯。 A/D 转换模块主要负责将放大了的模拟信号转换成数字信号, 它是影响控制器精确度的重要部件。 

3 放大电路及滤波电路

放大器是影响控制器精确度的一个重要部件。放大器只有具有了稳定性好、非线性小、漂移小、增益小、抗干扰能力强等特点才能保证测量数据的准确。根据放大器的要求精度,所需带宽, 电路阻抗,环境条件及其他影响因素,我们选用了 INA217 作为直流放大器。 IN-A217 是一种低噪声、低失调的集成仪器放大器。当信号源阻抗为 200Ω时,INA217 可以提供接近理论值的噪声效能( 1kHz 为 1.3nV/rtHz ) , 即使在高增益工作情形下( 0.004% , G=100 ) , 失真消除电路也可将信号失真降至极低。另外, 电流回授电路使 INA217 可以支持更大的频宽 ( 800kHz ,G=100 ), 并在更宽广增益范围内提供杰出动态效能, 非常适合于称重传感器信号的放大。在对传感器信号进行放大后, 为了保证其准确性和稳定性, 我们又进行了滤波电路的设计。滤波器选用的是单片集成滤波器 MAX280 。

4 模数转换部分

4.1 ADS1216 概述

在称重显示控制器中, A/D 转换器是除单片机外影响控制器性能的主要元器件之一。为保证控制器的性能, 我们选用了 ADS1216 作为 A/D 转换器。 ADS1216 是 Burr- Brown 产品线中的一款高精度、宽动态范围、 ∑- Δ 型 8 通道 24位 ADC 。 ADS1216 主 要 包 括 模 拟 多 路 开 关( MUX ) 、输入缓冲器( BUF ) 、可编程增益放大器(PGA ) 、二阶 Δ - ∑ 调制器、可编程数字滤波器、微控制器、 16 个状态 / 控制寄存器、 128 字节 RAM 、串行 SPI 接口、两个 8 位DAC 、内部参考电压产生器以及时钟发生器等工作模块。它通过 SPI 接口与外界进行信息交换, 工作电压范围为 2.7V～ 5.25V ^{[ 1 ][ 2 ]} 。

4.2 ADS1216 与 STC89 单片机的接口

考虑到 ADS1216 与 SPI 兼容, 所以这里与单片机 STC89 的接口采用 SPI 串行接口方式。STC89 单片机是深圳宏晶科技公司推出的强抗干扰、高速、低功耗、低价 格 的 8 位 单 片 机 。

ADS1216 标准的 SPI 接口方式为四线制,分别为时钟信号线 SCLK 、数据输入线 Din 、数据 输 出 线 Dout 和 片 选 线 CS 。 在 本 设 计 中ADS1216 与STC89 的接口引脚有 SCLK 、 Din 、Dout 、 DRDY 以及 BUFEN 。它们分别接至单片机的 P3.4 ( T0 ) 、 P3.3 ( INT1 )、 P3.2 ( INT0 ) 、 P3.5( T1 ) 和P1.7 。 由 于 本 设 计 中 只 选 用 了 一 片ADS1216 芯片, 所以将 CS 引脚直接接地, 即采用三线制串行接口连接方式, 这样可以节省单片机的输出控制线。为了检测 ADS1216 数据寄存器 DIO 的数据是否准备好了, 可以通过两种方法进行检测。一种方法是查询 DRDY 引脚的状态。如果 DRDY 引脚为低电平, 则表示待输出的数据已经被更新, 可以被读取。反之, 则不可以。另一种方法是判断模式和采样频率寄存器 M/DEC1 中 DRDY 位的状态。若 DRDY=0 ,则表示数据已经准备好了, 可以被读取; 若DRDY=1 , 则表示数据尚未准备好, 还不可以被读取。 BUFEN 引脚的连接是为了和设置寄存器SETUP 中的 BUFEN 位共同控制 ADS1216 的内部缓冲器。当二者状态逻辑与后为 1时,表示选择了缓冲器; 为 0 时, 表示没有选择缓冲器。在没有选择缓冲器时, ADS1216 的输入阻抗为5MΩ /PGA 。选择了缓冲器后, 输入电压波动减小,并且输入电流增大。决定 ADS1216 时钟频率的晶体有几种典型值, 本设计中的晶体 X2 选择的是 2.4576MHZ , 两 个 电 容 C4 和 C5 都 为12pF 。电容 C4 和 C5 的大小对时钟频率有微小的影响, 在设计印制板时,晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近, 以减少寄出电容。图中C6 是为芯片内部噪声滤波电路提供的旁路电容。R4 则起限制 ADS1216 最大输出电流的作用, 在实 际 应 用 中 R4 可 以 根 据 需 要 选 择 150kΩ 、75kΩ 、 15kΩ 、 10kΩ 和不接。

5 软件设计

在使用 ADS1216 之前, 需要对其内部的部分寄存器通过软件进行设置。首先是通过设置模拟多路开关 MUX 选择模拟通道, 再通过设置SETUP 寄存器的 BUF EN 位选择缓冲、 REFEN位选择参考电压、 BIT ORDER 选择数据位的输出顺序。值得注意的是, 若选择了外部参考电压,其差分电压不可以超过 2.5V , 以免造成转换结果错误。另外, 还需设置 ACR 寄存器选择可编程增益放大器的放大倍数, 设置 M/DEC1寄存器的 U/B 位选择 数 据 格 式 、 SMODE1 和SMODE0 位设置滤波模式等。具体设置可根据需要而定, 这里就不再一一说明。 

6 结束语

本设计采用具有 △- ∑ 技术的模数转换器ADS1216后,有效的解决了转换速度与高分辨率这一难以完美的矛盾。实验表明, 秤筒容积为 100L 的流量包装秤其流速可达到 25 吨 /时,采用 TQFP- 48 封装形式的 ADS1216 在应用时其功耗小于 1mW , 线性度仅为 0.0015% 。同时,在设置可编程增益放大器 G=1时,ADS1216 可提供 22 位有效分辨率。而一般的 3 级称重显示控制器 A/D 的内分辨率达到 1/2 18 就可以了。本设 计 控 制 器 的 累 加 误 差 为 ± 0.1% ; 电 源 是AC220V 50HZ± 10% ; 工 作 温 度 范 围 为 0℃～ +40℃ ; 工作湿度为 ≤90% ( 20℃ ) R.H 不可结露。该称重显示控制器用于流量包装秤后, 在功耗降低的同时, 准确度和稳定性都有了明显的提高,较好的达到了预期效果。

参考文献:

[ 1 ] 8- Channel , 24- Bit ANALOG- TO- DIGITAL CON-VERTER [ Z ] . TI. 2001.

[ 2 ] 李彩, 柯天存, 卢桂新, 曹文熙 . 新型 8 通道 24 位模数转换器 ADS1216 及应用[ J ] . 国外电子元器件 .2004 , ( 4 ) : 73- 76.

[ 3 ] 李世仁 . XK3100 系列称重显示控制器研制中的几个问题[ J ] . 强度与环境 . 1991 ,( 2 ) : 40- 46.

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