多通道負荷測量儀設計與應用

鐘金德 / 福建省計量科學研究院；國家市場監管總局重點實驗室（力值計量測試）；福建省力值計量測試重點實驗室

0 引言

負荷測量儀與應變片配套，用來測量扭矩和壓力等物理量，其廣泛應用在材料試驗機、工作測力儀、扭矩儀等測量裝置的力值、扭矩參量的測量中。目前使用的測量儀表多為單個硬件通道，無法實現多通道同時測量，并且人機交互能力有限[1]。為克服儀表的缺陷，設計多通道負荷測量儀，儀表在中央處理器（Central Processing Unit，簡稱CPU）單片機硬件結構基礎上，根據實際測量過程中的功能需求編制軟件程序，實現在多通道數據準確采集的同時，使用觸摸屏實現儀表操作和信息顯示，滿足力值、扭矩工業在線計量需求[2-8]。

1 總體方案設計

多通道高精度儀表（圖1）主要由多級穩壓電源、模數轉換環節（A/D）、微處理器（MCU）、參數存儲器（SPIFLASH）、通信接口組成。采集系統將張力傳感器輸出的應變信號經高精度24 位A/D 轉換器放大、轉換，并送入微處理器進行數字化和規范化處理，通過RS485 總線輸出到PLC、LCD 顯示屏。

圖1 多通道高精度儀表框圖

為此設計了多通道高精度儀表，以51 單片機為主控CPU，由3 通道標準傳感器同步數據采集模塊、二級放大電路模塊、A/D 轉換模塊、FLASH 存儲模塊、液晶顯示模塊、電源模塊以及PC 上位機組成。

采集多通道標準傳感器載荷信號的采集模塊利用同步采樣濾波技術，A/D 轉換模塊采用帶有自校正功能的∑-Δ 24 位A/D 轉換器，其由緩沖器和增益可編程放大器（PGA）組成的前端模擬調節電路、∑-Δ 調制器以及可編程數字濾波器等組成，保證示值穩定至30 萬碼，理論示值至800 萬碼。電源模塊包括整流、濾波、穩壓電路，對傳感器進行差分供電（±5 V），克服電源零點漂移。液晶顯示模塊自帶觸摸屏功能，可以進行數據儲存的選擇，即根據需要選擇儲存的數據，并通過SD 卡存儲，方便數據處理。此外，采集到的載荷信號和溫度數據通過RS485 總線傳送至PC 上位機，在上位機中進行數據顯示，并進行標準傳感器溫度補償。

2 A/D轉換數字模塊設計

A/D 轉換數字模塊由單片機、HX717 芯片、晶振、通信芯片、穩壓芯片等組成。

2.1 A/D 轉換芯片選型

HX717 芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等在內的其他同類型芯片所需外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點。降低了高精度儀表的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道A 或通道B，與其內部的低噪聲可編程放大器相連。通道A 的可編程增益為128 或64，通道B 的可編程增益為64 或8。芯片內提供的穩壓電源可以直接向外部傳感器提供電源，系統板上無需添加模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。

2.2 A/D 轉換電路設計

HX717 芯片外圍電路如圖2 所示。

圖2 HX717 芯片外圍電路

2.3 串行接口設計

串行通信線由串行時鐘輸入口PD_SCK 和串行數據輸出口DOUT 組成。 當DOUT 為高電平時，表明A/D 轉換器還未準備好輸出數據，此時PD_SCK應為低電平。

當DOUT 從高電平變為低電平時，PD_SCK 應輸入25 或28 個時鐘脈沖，參見圖3。其中第1 至第24 個時鐘脈沖的上升沿送出24 位ADC 數據；第25至第28 個時鐘脈沖用來選擇下一次A/D 轉換的輸入通道和增益，參見表1。

表1 輸入通道和增益選擇

圖3 數據轉換循環命令和時序

PD_SCK 腳斷電可以用于控制芯片的斷電。當DOUT 腳由高電平變低電平時，發送30 個PD_SCK時鐘脈沖，且第30 個時鐘脈沖的上升沿保持在高電平超過80 μs 時，芯片進入斷電狀態。當PD_SCK 重新回到低電平時，芯片進入工作狀態，保持斷電前的A/D 轉換速率。芯片從上電、斷電狀態進入工作狀態或改變A/D 轉換速率，A/D 轉換器需要4 個數據輸出周期才能穩定，即DOUT 在4 個數據輸出周期后才會從高電平變為低電平，輸出有效數據。

2.4 A/D 轉換軟件設計

1）對設備初始化和釋放。

2）把數據從內核傳送至硬件并讀取數據。

3）讀取應用程序傳送至設備文件的數據和回送應用程序請求的數據。

4）檢測和處理設備出現的錯誤。

A/D 轉換驅動程序設計要點：（1）A/D 轉換驅動程序的初始化。主要負責檢測所要驅動的硬件設備是否存在和是否能正常工作以及設備號的申請；（2）A/D 轉換驅動程序的文件操作結構。定義相應的接口函數，如打開程序open（）、寫指令write（）等，以供具體的系統調用；（3）A/D 驅動程序的控制模塊。主要包括打開程序open（）、關閉指令realse（）、寫指令write（）函數實現部分三大塊。打開程序open（）函數負責A/D 轉換設備的打開，關閉指令realse（）負責A/D 轉換設備的關閉，寫指令write（）函數實現對模擬信號的采集、轉換和輸出；（4）驅動的加載和卸載。A/D 轉換軟件設計圖如圖4 所示。

3 存儲和顯示電路設計

3.1 閃存電路設計

選用W25X32VSSIG，該串行閃存提供稱重儀表內部有限空間，及引腳和電源系統的存儲解決方案。該芯片提供的靈活性和性能遠遠超出普通的串行閃存器件。該器件由2.7 V 至3.6 V 單電源供電，電流消耗低至5 mA 且具有1 μA 的關斷模式。所有器件均提供節省空間的封裝。具有SPI 單或雙輸出，時鐘、片選數據I/O 數據輸出、可選鎖定功能的SPI 靈活性。數據傳輸高達150 MBit/s，具有靈活的架構與4 KB 扇區。閃存電路如圖5 所示。

圖5 閃存電路

3.2 外部顯示電路

采用了TM1621，一種128 點陣式存儲映射多功能LCD 驅動電路。TM1621 的S/W 結構特點，使它適合點陣式LCD 顯示，包括LCD 模塊和顯示子系統，如圖6 所示。

圖6 外部顯示電路

3.3 RS232 和RS485 通信接口設計

考慮儀表通用性，預留設計了RS232 和RS485通信接口，根據通信距離、通信設備數量的不同，儀表設計了RS232 和 RS485 兩種串口通信模式，其中，RS232 用于單機短距離通信，RS485 可用于多機遠距離通信。電路中通過跳線開關切換兩種通信模式，通過MAX232 和MAX485 兩種芯片實現TTL信號電平的轉換，并與同時選用的6N137 高速光耦對STM32 與MX232 與MX485 芯片之間的信號進行光電隔離，降低信號傳輸過程中的干擾，有效提高信號傳輸的穩定性，串口通信電路如圖7 所示。

圖7 通信接口電路設計

3.4 交互界面設計

上位監控站承擔的主要任務為過程可視化、過程控制、顯示報警、參數管理等，本研究選用集中LCD 集中顯示，其底層程序在出廠時已固定，可以通過RS485 通信接口與PC 端上位機交互數據。人機交互界面具有實時顯示力值能力，也可以通過按鍵來設定不同狀態下的力值。

4 儀表測試及數據分析

依據JJF 1469—2014《應變式傳感器測量儀校準規范》使用K148 橋路校準單元對多通道高精度儀表[9]三通道在0.2 mV/V、0.4 mV/V、0.6 mV/V、0.8 mV/V、1 mV/V、1.2 mV/V、1.6 mV/V、2 mV/V時進行校準，數據如表2 ～表4 所示。

表2 通道1 測試結果

表3 通道2 測試結果

表4 通道3 測試結果

通過對多通道負荷測量的性能指標分析，該儀表主要性能指標：測量范圍0 ～2.5 mV/V，示值重復性<0.05%，示值相對誤差優于±0.1%，示值相對分辨力優于±0.05%；儀表的各項性能指標均達到0.1 級應變式傳感器測量儀的技術要求。

5 結語

本文設計的多通道負荷測量儀，可應用于力值、扭矩等多通道數據采集，如張力測量模塊[10]，實現3 個力值信號的同時測量，并且能夠將測量數據直接進行計算存儲，體積小、穩定性高、重復性好，符合智能化儀表發展趨勢，具有較高的實用價值。