第 3 1卷第 5期 2 0 0 9年 1 O月 电气电子教学报 J OURNAL OF E EE Vo1 31 No 5 Oc t 2 0 0 9 基于 AD 7 7 1 4高精度数字称重传感器设计 邵 文威 王祖 强 刘元 财 王 洪 柱 山 东大 学 信 息科 学与工程 学院 山 东 济南 2 5 0 1 0 0 摘要 模拟传感 抗干扰能力弱，灵敏度差 以及 目前，一些数字称重传感器精度低等问题 本文提 有一个基础 A D7 7 1 4的精度可 达 0 0 5 V mV的数字化传感器设计 本文详细描述了本文的使用 高精度数字称重传感器芯片设计的理论基础 介绍 了 2 4位 一 模数 转换器 AD 7 7 1 结构及功能特点4 关注设计 硬件原理和软件设计理念 本设计通过 RS 4 8 5.数据传输 保证数据 传输快速可靠 关键词 AD 7 7 1 4 数字称重传感 器 比率测量 I I R滤波器 中图分类号 TP 2 1 2 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 6 8 6 2 0 0 9 0 5 0 0 6 4 0 4 The De s i g n o f Hi g h pr e c i s i o n Di g i t a l Lo a d Ce l l Ba s e d o n AD7 7 1 4 S HAO W e n we i W ANG Zu qi a n g LI U Yu a n c a i W ANG Ho ng z hu S c h o o l o f I n f o r ma t i o n Sc i e n c e a n d En gi n e e r i n g Sh a n d o n g Un i v e r s i t y Ji n an 2 5 0 1 0 0 Ch i n a Ab s t r a c t For s o me e x i s t i n g p r o bl e m s i n a na l og s e n s o r s u c h a s we a k a n t i i n t e r f e r e nc e a bi l i t y p oo r s e n s i t i vi t y a n d l o w a c c ur a c y o f s o me ki n ds o f d i g i t a l l o a d c e l l a c u r r e n t s e ns o r s y s t e m b a s e d on AD77 1 4 i s e s t a b l i s h e d wh o s e a c c u r a c y c a n r e a c h 0 0 5 V mV Th i s p a p e r d e s c r i b e s i n d e t a i l t h e t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n a n d i nt r o du c e s t he s t r uc t u r e a n d f u nc t i on f e a t ur e s o f 2 4 b i t 一 AD Co n v e r t e r AD77 1 4 I t f o c us e s o n t he ha r d wa r e p r i nc i p l e a nd s o f t wa r e d e s i g n i d e a s o f u s i ng t he c hi p t o d e s i gn di gi t a l l o a d c e l 1 Thi s d e s i g n t r a ns mi t t i n g i n t h e wa y of RS4 8 5 e ns u r e s t he r e l i a bi l i t y a n d t h e t r a ns mi s s i o n s pe e d o f t h e da t a Ke y wo r d s AD7 71 4 di g i t a l 1 oa d c e l l r a t i o me t r i c I I R f i l t e r 随着传 感器 的小 型 化 模块 化 数 字 化 智 能化 和网络化 称重仪器种类繁多 数字称重传 感器仪表 渐渐成 为市场 上 的新 宠 与模拟称 重传感 器相 比 数 字化称 重传感 器 的可靠性 高 抗干 扰能力 强 通信速 度快 防弊 效 果显 着 等 优点 使 其 成 为称 重传感器 的发展 趋势 数字 化称重传 感器是 电阻应 变式 传感器 与现代 结合微电子技术和数字处理技术的产物 数字化 称重传感器的硬件结构 模拟传感电路和数字处理 电路 两部 分组 成 在 软 件 上 利用 特 定 的数 字 模 型 和数字 处理技 术对传感 器 的性能 指标进 行软件修 正 和补偿 该系统的信号流程如图所示 1所示 1 电路概述 1 1 比率测重 原理 A D精度与基准源和电源密切相关 而在 电 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 0 6 修回 日期 2 0 0 9 0 8 0 9 作者简介 邵文威 1 9 8 4 一 女 硕士研究生 电子设计的主要研究方向是电子设计 自动化及 AS I C设计 E ma i l we n we i s h a o 1 6 3 e o m 王祖强 1 9 5 7 一 男 教授 主要从事 E DA和及 AS I C设计 以及智能测量控制等 的研究 刘元财 1 9 8 5 一 男 硕士研究生 电路和系统设计的主要研究方向 王洪柱 1 9 8 6 一 男 硕士研究生 主要研究方 设计电路和系统 第 5期 邵文威 王祖强等 基于 AD 7 7 1 4的高精度数 字化称 重传感 器设 计 6 5 留 岖 补偿参数 图 1 系统信号 流程 源类芯片中 以参考源类芯片的精度 和热稳定性最高 好 然 而一个 性能相 当好 的 电源芯 片 以 AD I 公 司 参 考源 芯片 AD 7 8 0为例 它本 身的精 度有 0 0 4 假设 环境 温度 变化 5 0 则 温漂将 达 到 0 0 1 5 无 法 达到 系 统 精 度 要 求 0 0 5 V mV 对 于 激 励 源 由于参 考源 芯 片输 出 电流 很 小 不 超 过 1 0 mA 而 选 用 的激励 源需要 对应 变 电桥 供 电 对 于称 重传 感 器 要求 电流 输 出至少 为 1 5 mA 所 以无 法 用参 考 源 类 芯 片来 实 现 综 合 考 虑 系 统精 度 热稳 定 性 以及 成 本 本设 计 采用 如图 2所示 的 比率测 量方 法口 OUT 图 2 比 率 测 量 方 法 若用比率测量 则 A D转换 的基准电压 r e f 采 用 供桥 电压 供 给应变 电桥传 感 器 的激 励 电源 电压 分 压得 到 即供桥 电压 己 与基 准 电压 U 成 一 比例 关 系 设 Uf e f A Ub 1 式 中 A 一 R R R 为 分压 比 传感器输出信号 为 U 一 Ub 2 式中 传感器的灵敏度 F传感器上的重力 的 相对值 A D转换器输入电压平均值 ui 为 U 一 A 己 E 3 式 中 A 为前置 放 大器 的放 大 倍 数 E 为放 大 器 的 输入 失调 电压 A D转换 器 的输 出值 N 为 N 一 N1 4 U r e f 式 中 N 为 常数 由式 1 至 式 4 可求得 N 一 N N 5 由式 可见 A D转换器 输 出中第 一项只是被称 重 量 F的函数 与供 桥电压 U 无关 第 二项却与放 大器 输入失 调 电压 E 0 和供桥 电压 Ub 有关 由于 E 0 的存 在 N 仍然 受供桥 电压 U 的影响而产 生计 量误差 由式 5 供桥电压的相对误差传导函数 D 一AUb 6 U F 1 Ub 由上 式 可 知 如 果 前 置放 大 器 的 输 入失 调 电压 E 以及传感器的输出信号 U0 可 比 然后由供桥电压引起 起 的误 差将不 可忽 略 为 了达 到高 的精 度 对 供桥 电 源 或放大器 的输入失调 电压提 出了很高 的要求 1 2 A D转换 器 AD7 7 1 4适 用 于 低 频 高 精 度 工 业 级 转 换 的 一 款 A D转 换 芯 片 AD7 7 1 4的输 入 信 号 加 至 专 有 的基 于模 拟调 制器 具 有可 编程 增益 的前 端 调 制 器 的输 出由片 内数 字 滤 波 器处 理 并 且通 过 片 内控 制 寄存 器 可对 此数 字 滤 波 器 的 第一 个 凹 口编 程 允 许 调 整滤 波器 的截 止频 率 和稳定 时 间 AD 7 7 1 4 具 有 3个 差 分 模 拟 输 人 它 也 可 以配 置 为 5个 准差 分模 拟 输 入 以及差 分 基 准 输 入 该 器 件具 有 完整 的模 拟 前 端 可 以直 接 测 量 传感 器 输 直流微弱信号 实现转换精度 2 4位无误码 并 采用 三线 串行 口与微控 制器 或 DS P系 统联 接 通 过 软件 编程 可 以对 增 益 信 号 极 性 输 入 通 道 做 出设 置 该芯 片具 有 自校 准 系统校 准 和背景 校准 功能 可 以消 除零 点误差 满 量程误 差 及温 度漂 移 的影响 它 的 C MOS结 构确 保非 常低 的功 耗 掉 电模 式 把 待 机功 耗减 少 到 1 5 W 典 型值 r 4 1 3数 字滤 波 在 本 设 计 中 对 于1 0 mV 的 量 程 要 达 到 0 0 5 x V mV 百万 分 之五 的精 度 则 系统 中的失 调 电压之 和必 须 至 少 小 于 0 5 V 由于 温 度 漂 移 以 及存 在 热噪 声源 和 1 f噪 声 源 噪声 大大 超 过 了系 统设 计要 求 的最 小 分 辨 电压 的大 小 所 以 系统 数 字 滤 波必 不可 少 由于 I I R数字滤波器可以用较低的阶数获得较高的 选择性 存储单元使用较少 本设计选用 I I R数字 滤 波器 实现 最 常用 的直 接 I I 型 1 4标 度 转换 通常测 量系统都 存在标度 转换 的问题 这是 因为 被测对象的数据量纲和放大器 A D转换器的输 出值 并不一样 例如 温度 的单 位是 摄 氏度 物 6 6 电气 电子教学报 第 3 1 卷 重 的单位 是公 斤 k g 等 本 设计 的标度 转换是 线性 转换 标度转换公 式可写为 Y 一 y 一Y X X N 一 N 4 Y 其 中 y为参数测 量值 y 为参数量 程终 点值 y 为 参 数量程起 始值 X 为 测量 值 所 对应 的模 数转 换 输 出值 N 为量程 终点所 对应 的模数 转换值 N 为量 程 起点对应 的模 数转换 值 以上 的 y y N 和 N 对 于某 一 固定 的被 测 量 参数来说 是 常数 对 于不 同的 被 测参 数 它们 有 不 同的值 本 设计 是基 于单片机 的测 量系统 因此 可 以 随被测 对象 的不 同用 软件 的方法 来进行 不 同的标度 转 换 这 就使得 它具 有很好 的智 能化和 自动化 更有 利 于兼 容到 多功能 的综合测 量 系统 中 1 5 数 据补 偿 传感 器 的误差大 小直接 影 响到测 控系统 的性 能和测量 准确度 非线 性特性 校正 硬件 补偿是采 用适 当的 电子线路 和元器 件进行 的校 正 但 其靠性 差 测 量 准确度 低 这 里 我们 选 择 软 件补 偿 由于 传 感器 动态特性 中不 可避 免 地存 在 非 线性 的成 分 因 此应 对 输 出信 号进 行非线 性补偿 在 非线 性 补偿 的方 法 中 曲线拟 合 的最 小 二乘 法 在解决 这类 问题 的数据处 理 和误 差 分析 中可 以提 高数据处 理 的效率 和 精 度 实 验 分析 表 明 三 阶 多 项 式最小 二乘 曲线 拟 合 能得 到很 好 的效 果 因 此本 设 计选用 此法对 数据 进行补 偿 2 硬件设计 2 1电源部分 因系统 精 度要 求很 高 必 须使 用 相互 独 立 的数 字 电源与模 拟 电源 系 统 且 模 拟 电 源选 用 低 噪声 的 线 性稳压 电源 2 2 AD7 7 1 4与模拟传 感器 的接 口电路 虽然 AD 7 7 1 4内部 自带 P GA 但 随着 增 益 和测 量 速率 的增 大 AD7 7 1 4分 辨率 明显 降低 已经 不能 满 足系统 的需求 所 以需 要在 A D转 换器 前端 加一 级放 大 同时根据 输入 信号 的幅度灵 活调 整 A D转 换器 的增益 使 系统 达 到 更好 的性 能 其 电 路参 见 图 3 2 3 A D 7 7 1 4与 MC U 的接 口电路 系统 采用 S P I 接 口与 MC U 相 连 AD7 7 1 4作 为 从 机 MC U 作 为 主 机 并 使 用 中 断 模 式 对 于 A D7 7 1 4 使 能它 的缓 冲模式 在缓 冲模式 下 模 拟 输 图 3 AD7 7 1 4与前 端 放 大 电路 入 端面 对片 内缓 冲放 大器 的高阻抗 输入级 输 入采 样 电容 经此缓 冲放 大 器充 电 使 源 阻抗 不 影 响采 样 电容 的充 电 不 会产 生增益 误差 3 软件设计 系 统选用 了成本 较低 的 8 位 5 1系列单 片机 由 于嵌入 MC U 指令 与 8 0 5 1兼容 所 以可 以利用 8 0 5 1 单 片 机 的 软 件 资 源 进 行 软 件 开 发 但 要 理 解 A D7 7 1 4的特 殊功 能寄存 器 S F R才 能对 AD 7 7 1 4的 各个 功 能 进 行 很 好 的 控 制 系 统 软 件 充 分 利 用 A D7 7 1 4提 供 的校 准 的功 能 当传 感 器 自身 出现 误 差时 系统软 件充 分 利 用 AD 7 7 1 4提 供 的 内部校 准 和系统 校准 的功能 可 以进 行 内部 零位 和满 量程 校 准 解决 了除传感 器之 外 的漂 移误差 传 感 器信 号转 换 成数 字 信 号后 经 数 字滤 波后 进行标 度校准 和调 整 处 理完成 的数 据通过 串行通 讯送到 上 位 机 所 有 的参 数 可 以存 储 在 E E P RO M 中 即使 在突然 掉 电情况 下 参数 能够 可靠保存 信 号处理 算法 流程 图如 图 4所示 甬 N 系统初始化 等待 I 一 进行判断 执行相应操作 中本机地址 r 发送应答 娟 菡 进行数字滤波 二二二 二二 进行标度转换 二二二 二 进行非线性补偿 等 待 机是否准 输 出数据 丁 结束 图 4信号处理算 法流程图 下转第 7 9页 第 5 期 张爱娟 叶宇煌 等 数字机顶盒 的 OS D设计与优化 7 9 从上级菜单进 入下级菜单 时 两 级之 间相 同的 区域 不 重绘 两级 之间不 同 的区域 利用 拷 屏 函数 先拷 到 一 个 缓存 区 再绘 制 出下级 菜 单 跟上 级 菜 单不 同 的区 域 当从下 级菜单退 回上 级菜单时 不 用重 新绘制 上 级菜单 直 接将 缓存 区 中的数 据释 放 出来 就 可 以 了 这样做 既可 以抗 闪烁 又可以方便应用层 操作 3 多语言字符 串显示管理 数字 机顶 盒界 面通 常必须 支持 多语 言字 符 串显 示 传统的做法是每个字符串对应一个变量 如果 系统 语 言是英 语 则 直接 把该 字符 串赋 给这个 变量 如果 是其 他语 言 则 把 该 字 符 串利用 工具 生 成 该 种 语 言 的对 应码 值 再 把 该 码值 赋 给 对 应 变 量 但 这 样会 每增 加一 种语 言 或 者 每更 换 一 套 界 面 都 要 先 人 工地 把每个 字符 串转 换 成对 应 码 值 然 后 再 赋 给 对 应变 量 这 一过 程 将 需 要 花 费较 长 的时 间 而 且 容 易 出错 本 文采用 一种 新 的字符 串管 理方法 以提高设 计 效 率 首先 引入识 别 码 I D 的概念 这 里 的 I D就 是 用 来表 征是第 几个 字符 串 原来 用来存 放 字符 串的 变量 现在用来存放该字符 串的 I D 把所有界面要 用 到 的字符 串按 图 3所 示格 式全 部 填充 到 E x c e l 表 中 然后 保存 成文 本格 式 的文件 L ANGUAGE I Dl R NHL I S H l A R ABIA I F RE NC H I GE R MAN 图 3 字符串在 E x c e l 表中的存放格式 再 利 用 工 具 把 各 种 语 言 归 类 到 一 个 文 件 中 这 个 文件 中 存 放 的 是 一 个 数 组 数 组 的前 面 部 分 存 放 的是 各 个 字 符 串 的 码 值 起 始 位 置 其 余 部 分 是存放各字符 串的码 值 显示 字符 串 的时候 通 过 I D读 取数 组 中 的对 应 元 素 值 就 可 以 知 道 该 字 符 串码值 的 起 始 位 置 从 而 就 可 以 获 得 字 符 串 的 码 值 再 参 照 上述 字 符 数 据 显 示 管 理 方 法 显 示 对 应 的 字符 串 采 用 这种 方 法 后 如 果要 增 加 一 种语 言 或者 更 换一套界面 就只要对 E x c e 1 表进行修改 然后保存 成 文本 格式 的 文件 利 用 工 具 生 成 新 的 文件 用 新 文 件替 换掉 旧 的文 件 就 可 以 了 使 界 面 的字符 串显 示 管理 更清 晰 和简便 参 考 文献 1 王新乐 基于嵌 入式操 作 系统 的图形 用户 接 V I 的研 究与设 计 D 天津 天津 大学 电子信息工程学院 2 0 0 6 2 贺 玮 嵌入式 D VB C数字机 顶盒的研究 与开发 D 武汉 武 汉理工大学 自动化学院 2 0 0 7 3 杨建华 数字 电视原理与应用 M 北京 北京航 空航天大学出 版 社 2 0 0 6 4 郑庆华等 C语言实用程序与软件工具 M 西安 西安 交通大 学 出版 社 1 9 9 6 5 3 左广巍 董朝霞 数码相机中基于 O S D技术的图文显示解 决方 案 r J 北 京 微计算机信息 2 0 0 4 2 0 1 0 上接 第 6 6页邵文威 等 文 4 结 语 由于模拟传感器 的 mV级信号易受干扰 在传 输 中还 因电缆 电阻 的影 响而 衰 减 难 以满 足 实 际需 求 本文 采用 的数字 化传 感器 可 以在最 近 的距 离 内 将模拟小信号转化为数字量并输 出 不但 电平要 高 出模 拟式 百 倍 而 且 可 用 数 字 滤 波 算 法 提 高 精 度 按照 RS 4 8 5通信协议传输 提高 了传输灵敏度 也 保证 了数 据快 速可靠 的传 输 由于采用 了模 拟传感 电路 与数 字处 理 电路 一体 化 的结 构 设 计 数 字 化传 感器 的输 出特 性通过 软件 非线 性数 据补偿 来 进行 自 动校 正 确 保输 出特 性 的一致 性 参考 文献 1 苏堡莹 金伟 曹建伟 顾 临怡 高精 度力传 感器信号直 接数字 化技术研究 J 杭州 机电工程 2 0 0 5 2 2 5 1 9 2 2 E 2 3 张安琪 余柏 南 比率测量技术 中应注意的问题 J 北京 计量 技术 2 0 0 0 9 2 2 3 秦泓江 肖圣 高世博 郑福荣 AD7 7 1 4可编程模 数转换器及 其应用I j 西安 石油仪器 2 0 0 5 1 9 4 7 3 4 武汉力源电子 股份有 限公 司 3 V 5 V CMOS 5 0 0 u A 信号 调理模数转换器 1 9 9 9
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