本文研究了一種用於組合秤和選別秤的高精度數據采集係統，采用具有24位分辨率的∑－△模數轉換器高性能片上係統(SoC)MSC1210單片機和應變式稱重傳感器設計稱重數據采集係統。該係統可應用於組合稱重設備、選別設備，並具有精度較高，可靠性較強的特點。

1引言

組合秤又稱選擇組合衡器，它是由多個獨立的進料出料結構的稱量單元組成，電腦利用排組合原理對稱量單元的載荷量自動優選組合計算出最佳、最接近目標重量值的重量組合進行包裝。選別秤是檢測單個產品重量與設定目標是否相符，並由分選裝置自動剔除不合標準產品的包裝行業設備。從實用角度出發，采用具有24位∑－△型A／D轉換器的係統級單片機MSC1210結合低成本的供電解決方案與CAN控製器SJA1000以及CAN總線收發器82C250，設計一種具有CAN總線接口的24位稱重數據采集係統，可應用於組合稱重設備、選別設備。

2稱重係統硬件設計

係統硬件采用係統級單片機MSC1210直接采集傳感器信號。由稱重傳感器產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MSC1210內部A/D轉換采集數據，然後將采集數據轉化為CAN協議數據傳輸至CAN總線網絡，再由觸摸屏處理數據。MSC1210內置有溫度傳感器，便於後期數據校正，采集測量環境溫度。

2．1供電電壓

A／D轉換數據大小僅取決於輸入電壓V0大小，A/D轉換精度取決於參考電壓V0的穩定性。V0、VREF必須取同一電源，電源波動相互抵消，對A／D轉換無影響。該稱重傳感器最小激勵電壓為5V，最小激勵電流為25mA。MSC1210提供的內部參考電壓不足以驅動傳感器，因此選擇外部輸入參考電壓，同時關閉內部參考電壓以減小噪聲幹擾和功率損耗。

基於上述原因，綜合成本考慮，選用低壓差線性穩壓器LP2591提供5V用以激勵傳感器，通過高精度電阻網絡分壓成2．5V供給MSC1210作為A/D轉換的參考電源。

LP2951屬精密型低壓差線性穩壓器，初始精度0．5％，電壓調整率和負載調整率可達0．05％，具有低靜態電流(≤8mA)、低壓差、低溫度係數(20×10-6/℃)等特點。輕載時的壓差為50mV；當其為100mA負載時壓差為380mV。最大輸出電流為100mA。

稱重係統集成的各個電阻具有參數、性能、受環境影響一致的特點，外界對其幹擾(如電源變化、溫度變化)能在分壓比中相互抵消。采用並聯電阻的分壓電路有助於減小溫漂，提高穩定性。

2．2A／D轉換器

高精度數據采集核心在於A／D轉換器的參數指標。即量程、有效分辨率和轉換時間等。

MSC1210通過可編程增益放大器(PGA)和偏移D／A轉換器(ODAC)改變量程以增加輸入信號的動態範圍。MSC1210通過改變本身的PGA來改變量程以適應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。這裏選擇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最多被偏置到輸入範圍的一半，由於ODAC引入了模擬偏置量而非數字量到PGA，所以使用ODAC不會降低A／D轉換器的性能。

該係統要求輸入信號的動態範圍為0～4000g，最小輸入分辨率為0．1g，同時根據A／D轉換器線性輸入、輸出特性，A／D轉換器滿量程電壓與所分辨最小電壓的比值和相應重量輸出比值相等。係統必須保證最終測量結果具有16位的精度。考慮係統電源電壓漂移、溫度漂移等其他因素，因此要求A／D轉換至少應達到18bit的實際轉換精度。因此，MSC1210能夠滿足係統設計要求。

2．3溫度測量

MSC1210內置溫度傳感器便於後期數據校正，采集測量環境的溫度。由於其內部二極管提供溫度傳感功能，當輸入多路複用器的設置寄存器所有位都為1時，二極管就連到A／D轉換器的輸入端，所有通道打開。

2．4CAN總線數據通訊

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執行相應的讀／寫操作。SJA1000的RD、WR、ALE分別與MSC1210的對應引腳相連，INT引腳接MSC1210的INT0，MSC1210可通過中斷方式訪問SJA1000。

為增強CAN總線節點的抗幹擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過高速光耦6N137與82C250相連，這樣就實現總線上各CAN節點間的電氣隔離。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。通過隔離提高了節點的穩定性和安全。

傳感器電壓輸出信號經過濾波後直接接MSC1210的AIN0，AIN1；MSC1210內部A／D轉換的參考電壓為LP2951，輸出電壓經精密電阻網絡分壓得到。

3係統軟件設計

單片機采集A／D轉換的數據並通過CAN協議發給CAN網絡，傳輸數據，在觸摸屏上編製軟件係統接收和存儲采集到的稱重傳感器輸出的電壓數據，軟件工作的重點包括數據校準和數據采集兩部分。

3．1數據校準

為降低器件和係統的偏移誤差和增益誤差，需要采用校準方法。MSC1210或整個係統的偏移、增益誤差可以通過校正來減少影響。

校正功能ADCCON1寄存器(SFRDDH)的CAL2～0位控製每個校準過程需7個tDATA周期，因此，完成偏移和增益校準需要14個rDATA周期。在校準完成後，當中斷允許時，會產生A／D轉換中斷。校正完成以後A／D轉換器中斷位置為1，表示校正結束可以讀取有效數據，相關程序代碼如下：

ADCON1=0X01；//初始化增益和偏移自校準

while(!(AISTAT&0X20))；／／等待中斷觸發

3．2數據采集

采用台達DOP人機界麵軟件ScreenEditor開發平台，編製數據采集與存儲係統，使用CAN網絡協議與下位機通訊，進行稱重數據的實時采集，具體應用於稱重係統采集測試係統中。

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係統，除了使用高精度A/D轉換器外，係統中的其他模塊設計也對整個係統精度有很大的影響。

(1)傳感器是整個係統的核心，要獲得可靠的數據源就要注意電阻式應變傳感器的安裝方式，傳感器的底座安裝麵應平整、整潔，無任何油膜、膠膜等存在。安裝底座要求高於傳感器本身的強度和剛度。安裝底座的安裝麵要用水平儀調整水平。安裝時不能采用普通平墊圈，應使用彈簧墊圈。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)數字器件和模擬器件獨立供電，對電源進行穩壓，並加濾波電路，以免電源噪聲對係統產生影響。為防止傳導型高頻電磁幹擾，在傳感器信號輸出端及電源線上加屏蔽珠。在PCB布線時應盡量將數字部分和模擬部分隔離，數字地與模擬地隔離。

係統能夠穩定運行，測量結果滿足精度要求，顯示分辨率為1／40000。數據穩定時間小於1s。

4結束語

該CAN總線的稱重數據采集方案適用於組合稱重或選別稱重的環境下對稱重傳感器信號的采集與存儲，經工廠環境的實踐檢驗，證明係統能夠長時間穩定運行，具有較好的應用前景，同時也可運用在車輛稱重係統。

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