基于ADS1234的高精度数字化称重系统的研究与实现

王雁彬，马国强

(1.辽宁交通高等专科学校，辽宁 沈阳110122；2.东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳110004)

随着工业过程控制以及自动化水平的不断提高，特别是数字技术与信息技术的飞速发展，在称重计量与控制系统领域，对衡器行业提出了电子衡器数字化、智能化、用数字称重系统突破模拟称重系统的局限性等要求。各种类型电子秤的核心都是一个高精度数字化过程，即将被测量物体重量的模拟量转换成数字量。尽管将重量信息转换为电信号有多种方法，但最为常用的方法是采用一个配置为惠斯通电桥(Whetstonebridge)的阻性负载单元，将采集到的惠斯通电桥输出电压值作为重量参数。传统的电路设计方法是在A/D转换之前增加一级或多级高精度的放大器。这样不但增加了系统的成本和电路复杂性，而且在检测过程中也会出现工频干扰和放大器漂移等问题，从而使采集到的数据精度降低。德州仪器(TI)推出的桥接传感器模数转换器ADS1234，作为高度集成的Delta-Singma模数转换器，适用于低电平、高精度测量，特别适合称重领域的应用[1-2]。

1 ADS1234特性及其称重应用

负载单元通常根据输出电压确定，该输出电压是在施加负载单元最大额定重量时为1 V激发电压产生的，规格以单位mV/V确定。由5 V电压激发的4 mV/V负载单元所具有的满量程输出电压仅为20 mV。所以，称重传感器中的电阻桥产生的待测电压信号非常小，而且电压信号随重量的变化量也非常小。如何对电阻桥接产生的信号进行低电压、高精度测量，成为称重系统设计中的核心问题。

ADS1234是一个精密的24位AD转换器，它内部带有低噪声的可编程精密放大器、精密的Delta-Sigma AD转换和内置的振荡器。ADS1234为桥路传感器的应用及称重仪器提供了一个完全的前端解决方案，它具有非常低的噪声，当PGA=128倍时，±20 mV的输入范围内均方根（rms）噪声仅有 17 mV，采样速率为 10 Hz～80 Hz，对于50 Hz与60 Hz具有大于100 dB的抑制能力。

ADS1234在称重领域的应用的优点是：(1)具有完整的前端，不需要外置放大电路；(2)没有外部时钟的要求；(3)所有的功能由管脚来控制，没有寄存器需要编程。

2 称重系统硬件设计

2.1 系统总体设计

系统总体结构示意图如图1所示。在本系统中MCU可选用单片机、ARM、DSP等芯片，只要内存以及处理速度能够满足系统的要求即可，本文以STC89252RC单片机为例进行说明。电源部分的主要功能是对MCU和ADS1234供电，规定需要5 V和3 V的稳定电源。除此之外，还有通信接口、显示系统以及键盘等部分的设计。

2.2 硬件接口设计

硬件接口电路设计主要完成ADS1234外围电路以及与MCU之间的接口电路。惠斯通电桥的输出电压正负极分别接ADS1234的AINP和AINN两个管脚。DRDY/DOUT、SCLK和PDWN接MCU的三个I/O管脚。图2所示为ADS1234接口电路原理图。

2.3 系统抗干扰设计

在电子系统设计中，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。本文的抗干扰设计主要从以下三个方面进行：

(1)抑制干扰源，减小干扰源的 du/dt、di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容实现。

(2)切断干扰传播路径。充分考虑电源对MCU的影响，要给MCU电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对MCU的干扰。此外，还要合理布线，分开模拟地和数字地。

(3)提高敏感器件的抗干扰性能。减少回路环的面积，电源线和地线尽量粗，闲置的I/O口不悬空[3-4]。

3 系统软件设计

3.1 系统软件总体设计

系统软件设计主要包括系统初始化、MCU控制ADS1234以及串口通信设计。系统初始化保证系统能够在预定模式和状态下工作。控制ADS1234主要是设定内部可编程增益放大倍数、选择测量通道、采样速率以及控制转换器等。串口通信部分主要是制定通信协议，包括传输速率和数据格式等。图3是系统软件流程图。

3.2 系统初始化以及串口配置

在系统启动后就进行初始化，完成系统参数的设置。在单片机程序中完成晶振初始值设置、工作模式设置、开启中断、定时器等。系统进行初始化后，进入系统自检。系统自检主要完成显示部分、存储器以及其他功能部件的检查工作。

在进行串口通信之前要对控制器的串口进行正确的配置，包括串口的工作方式、波特率等。本文主处理器采用STC89C52RC单片机，串口设置为方式1，串口的波特率设置为9 600 b/s。

3.3 ADS1234数据采集设计

图4所示为ADS1234的工作时序图。DRDY/DOUT引脚有两个功能。首先，其变为低电平时表明有数据准备就绪，然后在SCLK时钟的第一个上升沿，该引脚改变其功能，开始输出转换好的数据，最高有效位（MSB）优先。数据在每个SCLK的上升沿输出。当24位数据(第24个SCLK时钟)都被获取之后，将DRDY/DOUT引脚强制拉高，并持续为高，直到有新的数据准备就绪。正是由于DRDY/DOUT引脚的这种特性，在本文中采用了中断的方式进行数据采集。

以下为ADS1234A/D转换核心源代码：

3.4 系统校正

对ADS1234进行偏置校正，是在获得24位数据之后至少两个额外的SCLK时钟信号，即第26个SCLK时钟下降沿时开始校正周期。完成校正后，DRDY/DOUT为低，表明新的数据准备就绪。偏置校正所需的时间t8（即26个SCLK之后的时间），当使用的晶振为典型值4.912 5 MHz时，SPEED=1时， 其 MIN值为 10.28 ms，MAX值为101.29 ms，±3%的浮动范围。可以看到，其所花的时间较长，大大降低了整个系统的运行速度，故要在系统运行一段时间后进行一次校正。

4 提高称重精度的辅助措施

4.1 传感器安装技巧

传感器是整个称重系统的核心部件之一，要获得可靠的数据源就要选择合理的安装方式。具体包括：(1)传感器的加载方向与车辆的受载方向相一致，避免横向力、附加的弯矩、扭矩力；(2)安装传感器的底座安装面应平整、清洁，无任何油膜、胶膜等存在；(3)尽量采用有自动定位作用的结构配件，如球形轴承、关节轴承、定位紧固器等，防止某些横向力作用在传感器上；(4)每只传感器安装底座的安装平面要求水平，多个传感器的安装底座的安装面要尽量调整到一个水平面上，以保证各传感器所承受的负荷基本一致；(5)称重传感器周围设置一些防护罩，以防止杂物污染传感器和某些可动部分，保证称量精度。

4.2 稳压电源设计

在本文中采用LM2576集成芯片进行电源稳压设计。LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供压降开关稳压器（buck）的各种功能，能驱动3 A的负载，具有优异的线性和负载调整能力。这些稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，将外部元件的数目减少到最少，使用简便。

4.3 数字滤波设计

数字滤波器(Digital Filter)是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置，其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。本文以软件滤波为例，结合滑动平均滤波器来说明。其滤波算法是采样一次后，将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，得到的有效采样值作为本次测得值使用。取N个采样值求平均，RAM中要开辟N个数据的暂存区。每采集一个数据都要存入暂存区，同时去掉一个最早的数据，保持这N个数据始终是最近的数据[5-6]。

部分核心源代码如下：

5 称重实验

本文采用加载机对实验小车进行力学加载试验。载荷从零开始，每次增加500 N，加载至 20 kN（此力接近于汽车超载重量）。基于实验条件的限制，试验中电压值精确到0.01 mV。表1所示为部分输出电压值。

当力小于3 kN时，电压缓慢上升，说明应变变化很小，当力大于3 kN时，电压呈线性上升，应变呈线性变化。接下来，对实验数据进行曲线拟合。假设加载力为F（kN），输出电压为 V（mV），则可以推算出输出电压与重量的关系式为：

表1 加载实验记录表

通过验证式（1），可以看到本实验的精度在0.01 mV。

本文所设计的一种基于ADS1234称重系统，具有数字化、高精度等优点。所设计的系统外围电路简单，易于在称重领域中推广。结合本文所述的数字滤波等技术，本系统也具有工作状态稳定和稳定时间短等优点。

[1]杨巍，蔡建立.高精度采集称重主控仪表的设计[J].福建电脑，2009,25(11):135-136.

[2]苏堡莹，金伟，曹建伟，等.高精度力传感器信号直接数字化技术研究[J].机电工程，2005,22(5):19-22.

[3]王幸之，王雷，钟爱琴，等.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

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[5]孙国银.AD73360在电量测量系统中的应用[J].中国测试技术，2007,33(2):70-73.

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