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24位A/D轉(zhuǎn)換稱重數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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作者: 時間:2010-01-29 來源: 收藏

  1 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/104405.htm

  組合秤又稱選擇組合衡器,它是由多個獨立的進料出料結(jié)構(gòu)的稱量單元組成,電腦利用排組合原理對稱量單元的載荷量自動優(yōu)選組合計算出最佳、最接近目標(biāo)重量值的重量組合進行包裝。選別秤是檢測單個產(chǎn)品重量與設(shè)定目標(biāo)是否相符,并由分選裝置自動剔除不合標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的包裝行業(yè)設(shè)備。從實用角度出發(fā),采用具有24位∑-△型轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)級單片機MSC1210結(jié)合低成本的供電解決方案與CAN控制器SJA1000以及CAN總線收發(fā)器82C250,設(shè)計一種具有CAN總線接口的24位稱重系統(tǒng),可應(yīng)用于組合稱重設(shè)備、選別設(shè)備。

  2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

  圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)硬件采用系統(tǒng)級單片機MSC1210直接采集傳感器信號。由稱重傳感器產(chǎn)生的電壓輸入信號采用差分輸入方式,由濾波電路直接接到MSC1210的AIN0、AIN1,經(jīng)MSC1210內(nèi)部轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù),然后將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CAN協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸至CAN總線網(wǎng)絡(luò),再由觸摸屏處理數(shù)據(jù)。MSC1210內(nèi)置有溫度傳感器,便于后期數(shù)據(jù)校正,采集測量環(huán)境溫度。

  

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

 

  2.1 供電電壓

  轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)大小僅取決于輸入電壓V0大小,A/D轉(zhuǎn)換精度取決于參考電壓V0的穩(wěn)定性。V0、VREF必須取同一電源,電源波動相互抵消,對A/D轉(zhuǎn)換無影響。該稱重傳感器最小激勵電壓為5 V,最小激勵電流為25 mA。MSC1210提供的內(nèi)部參考電壓不足以驅(qū)動傳感器,因此選擇外部輸入?yún)⒖茧妷海瑫r關(guān)閉內(nèi)部參考電壓以減小噪聲干擾和功率損耗。

  基于上述原因,綜合成本考慮,選用低壓差線性穩(wěn)壓器LP2591提供5 V用以激勵傳感器,通過高精度電阻網(wǎng)絡(luò)分壓成2.5 V供給MSC1210作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電源。

  LP2951屬精密型低壓差線性穩(wěn)壓器,初始精度0.5%,電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率可達(dá)0.05%,具有低靜態(tài)電流(≤8 mA)、低壓差、低溫度系數(shù)(20×10-6/℃)等特點。輕載時的壓差為50 mV;當(dāng)其為100 mA負(fù)載時壓差為380 mV。最大輸出電流為100 mA。

  集成的各個電阻具有參數(shù)、性能、受環(huán)境影響一致的特點,外界對其干擾(如電源變化、溫度變化)能在分壓比中相互抵消。采用并聯(lián)電阻的分壓電路有助于減小溫漂,提高穩(wěn)定性。

  2.2 A/D轉(zhuǎn)換器

  高精度核心在于A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)指標(biāo)。即量程、有效分辨率和轉(zhuǎn)換時間等。

  MSC1210通過可編程增益放大器(PGA)和偏移D/A轉(zhuǎn)換器(ODAC)改變量程以增加輸入信號的動態(tài)范圍。MSC1210通過改變本身的PGA來改變量程以適應(yīng)不同的傳感器輸入電壓。如果AIN0作為同相差分輸入通道,其他任何一個通道都可作為反相差分輸入通道。這里選擇AIN0、AIN1作為輸入傳感器輸入電壓的前向通道。PGA的模擬輸入通過ODAC最多被偏置到輸入范圍的一半,由于ODAC引入了模擬偏置量而非數(shù)字量到PGA,所以使用ODAC不會降低A/D轉(zhuǎn)換器的性能。

  該系統(tǒng)要求輸入信號的動態(tài)范圍為0~4 000 g,最小輸入分辨率為0.1 g,同時根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器線性輸入、輸出特性,A/D轉(zhuǎn)換器滿量程電壓與所分辨最小電壓的比值和相應(yīng)重量輸出比值相等。系統(tǒng)必須保證最終測量結(jié)果具有16位的精度??紤]系統(tǒng)電源電壓漂移、溫度漂移等其他因素,因此要求A/D轉(zhuǎn)換至少應(yīng)達(dá)到18 bit的實際轉(zhuǎn)換精度。因此,MSC1210能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

  2.3 溫度測量

  MSC1210內(nèi)置溫度傳感器便于后期數(shù)據(jù)校正,采集測量環(huán)境的溫度。由于其內(nèi)部二極管提供溫度傳感功能,當(dāng)輸入多路復(fù)用器的設(shè)置寄存器所有位都為1時,二極管就連到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端,所有通道打開。

  2.4 CAN總線數(shù)據(jù)通訊

  SJA1000的AD0~AD7連接到MSC1210的P0端口,CS連接到MSC1210的引腳P2_7。P2_7引腳為0時,CPU片外存儲器地址選中SJA1000,CPU通過這些地址對SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作。SJA1000的RD、WR、ALE分別與MSC1210的對應(yīng)引腳相連,INT引腳接MSC1210的INT0,MSC1210可通過中斷方式訪問SJA1000。

  為增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力,SJA1000的TX0和RX0通過高速光耦6N137與82C250相連,這樣就實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。采用小功率電源隔離模塊B05-05S將光耦部分的兩個電源完全隔離。通過隔離提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性,如圖2所示。

  

CAN總線接口硬件電路原理圖

 

  傳感器電壓輸出信號經(jīng)過濾波后直接接MSC1210的AIN0,AIN1;MSC1210內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓為LP2951,輸出電壓經(jīng)精密電阻網(wǎng)絡(luò)分壓得到,如圖3所示。

  

MSC1210與CAN節(jié)點電路連接硬件原理圖

 

  3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

  單片機采集A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并通過CAN協(xié)議發(fā)給CAN網(wǎng)絡(luò),傳輸數(shù)據(jù),在觸摸屏上編制軟件系統(tǒng)接收和存儲采集到的稱重傳感器輸出的電壓數(shù)據(jù),軟件工作的重點包括數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和兩部分。

  

主程序流程圖

 

  3.1 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

  為降低器件和系統(tǒng)的偏移誤差和增益誤差,需要采用校準(zhǔn)方法。MSC1210或整個系統(tǒng)的偏移、增益誤差可以通過校正來減少影響。

  校正功能ADCCON1寄存器(SFR DDH)的CAL2~0位控制每個校準(zhǔn)過程需7個tDATA周期,因此,完成偏移和增益校準(zhǔn)需要14個rDATA周期。在校準(zhǔn)完成后,當(dāng)中斷允許時,會產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換中斷。校正完成以后A/D轉(zhuǎn)換器中斷位置為1,表示校正結(jié)束可以讀取有效數(shù)據(jù),相關(guān)程序代碼如下:

  ADCON1=0X01; //初始化增益和偏移自校準(zhǔn)

  while(!(AISTAT0X20)); //等待中斷觸發(fā)

  3.2 數(shù)據(jù)采集

  采用臺達(dá)DOP人機界面軟件ScreenEditor開發(fā)平臺,編制數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng),使用CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與下位機通訊,進行稱重數(shù)據(jù)的實時采集,具體應(yīng)用于稱重系統(tǒng)采集測試系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集界面如圖5所示。

  

數(shù)據(jù)采集界面

 

  3.3 提高精度采取的其他措施

  為保證得到一個高精度的測試系統(tǒng),除了使用高精度A/D轉(zhuǎn)換器外,系統(tǒng)中的其他模塊設(shè)計也對整個系統(tǒng)精度有很大的影響。

  (1)傳感器是整個系統(tǒng)的核心,要獲得可靠的數(shù)據(jù)源就要注意電阻式應(yīng)變傳感器的安裝方式,傳感器的底座安裝面應(yīng)平整、整潔,無任何油膜、膠膜等存在。安裝底座要求高于傳感器本身的強度和剛度。安裝底座的安裝面要用水平儀調(diào)整水平。安裝時不能采用普通平墊圈,應(yīng)使用彈簧墊圈。在給傳感器加載受力時,要按傳感器加載受力方向加載,避免橫向或附加扭矩力。

  (2)數(shù)字器件和模擬器件獨立供電,對電源進行穩(wěn)壓,并加濾波電路,以免電源噪聲對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。為防止傳導(dǎo)型高頻電磁干擾,在傳感器信號輸出端及電源線上加屏蔽珠。在PCB布線時應(yīng)盡量將數(shù)字部分和模擬部分隔離,數(shù)字地與模擬地隔離。

  系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行,測量結(jié)果滿足精度要求,顯示分辨率為1/40 000。數(shù)據(jù)穩(wěn)定時間小于1 s。

  4 結(jié)束語

  該CAN總線的稱重數(shù)據(jù)采集方案適用于組合稱重或選別稱重的環(huán)境下對稱重傳感器信號的采集與存儲,經(jīng)工廠環(huán)境的實踐檢驗,證明系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運行,具有較好的應(yīng)用前景,同時也可運用在車輛稱重系統(tǒng)。

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