1 概述

隨著微電子技術和計算機技術的快速發展 ,傳統的機械式稱重儀表正逐步被基於嵌入式技術的電子稱重儀表所取代。電子稱重儀表具有性能可靠、 體積小巧、易於安裝使用等特點 ,被廣泛地用於各種計量、 定量稱重係統中 [1] 。目前稱重儀表重要的發展趨勢是采用模塊化設計， 通過硬件或軟件的積木式組合來實現不同的功能需求。例如用戶提出的要求後， 隻需在儀表機箱裏選用不同的電路板組合或更改代碼儲存芯片。本文設計的儀表中模擬量采集與控製模塊主要負責稱重傳感器數據采集和邏輯控製， 其中A/D轉換芯片選用美國某公司的CS5532ASZ； 儀表顯示屏采用高清晰度和高亮度、 使用壽命長的真空熒光顯示屏， 且選用VFD專用控製／驅動芯片CS16312， 該芯片集成了VFD顯示控製、 按鍵控製、 LED顯示控製等功能。VFD顯示模塊並采用單獨的微處理器， 使得顯示屏通用性很強； Ethernet接口模塊采用通用型串口轉以太網設備ZNE-10T， 將儀表RS232網絡升級到Internet網絡。電源模塊選用美國某公司的TOP224Y芯片設計單片集成電源電路， 具有效益高、 性能指標高、 可實現多路輸出等優點。儀表中各個模塊相對獨立， 模塊之間通訊采用標準的RS232接口， 方便根據需求組合， 例如儀表應用場所沒有以太網接入口， 因為使用標準的RS232接口， 儀表數據傳輸則可以選擇近距離直接與計算機的COM口連接或者遠距離外加RS232轉RS485的模塊連接到其他的控製器上。同時， 標準的接口也使得方便將儀表模塊用具有類似功能的產品替代， 如用戶打算使用觸摸屏顯示操作， 隻需將帶有RS232接口觸摸屏代替現有的VFD顯示模塊即可。

2 係統設計

儀表分為五個部分模擬量采集與控製、 VFD(真空熒光顯示屏)顯示、 Ethernet接口、 IO擴展接口及電源。
 

2.1 電源模塊

真空熒光顯示屏 （VACUUM FLUORESCENT DISPLAY） 是從真空電子管發展而來的顯示器件， 由發射電子的陰極 （直熱式， 統稱燈絲） 、 加速控製電子流的柵極、 玻璃基板上印上電極和熒光粉的陽極及柵網和玻蓋構成。在燈絲兩端加上規定的燈絲電壓， 使陰極溫度達到6000C左右而放射熱電子， 再將陽極加上正電壓， 因柵極的作用而放射熱電子加速， 將會互相衝擊而激發熒光粉， 而使熒光粉發光 [4] 。

根據上麵敘述， 再結合采集控製模塊、 Ethernet接口模塊供電， 將整個儀表需要的供電情況匯總如下表：

基於上述要求， 本儀表選用美國某公司TOPSwitch係列單片開關電源芯片， 該係列芯片具有集成PWM控製器和MOS⁃FET 功率開關管、 支持極寬的輸入交流電壓和頻率範圍、 外圍電路簡單， 成本低廉， 芯片本身功耗低， 電源的總體效率可達80％等特點 [2] 。

模擬量采集與控製板和VFD顯示板都需要+5V電壓供電， 且采集板上A/D轉換要求模擬量參考電壓要求較嚴格， 為了不相互影響， 分成兩路供電。根據兩塊板功率要求， 設計一路10V/0.4A電壓經過LM340T5轉換給模擬量采集與控製板供電， VFD顯示板則采用12V/0.3A經LM340T5轉換供電。輸入輸出板需要的+24V電壓則直接設計一路24V/0.3A。

根據VFD顯示供電要求， 首先設計一路-37V/0.3A電壓經過LM317轉化成-30V， 作為CS16312EN的參考電壓， 再使用4.7V穩壓管將電壓拉升成-25V接到燈絲一端， 而燈絲之間3.3V/145mA壓差則是在-25V電壓的基礎上反串上電壓為3.3V的不共地電壓， 這樣就可獲得燈絲另一端-21.7V電壓。經過實驗測試驗證， 該VFD供電方案可行。

2.2 模擬量采集與控製模塊

 模塊主要包含模數轉換電路和MCU及其他外圍電路。
 

稱重儀表精度主要取決於A/D轉換芯片的分辨率。A/D轉換芯片的選擇對決定儀表性能至關重要， 本文儀表選用某公司的CS5532ASZ轉換器， 該芯片是高集成度的ΔΣ模數轉換器， 應用了電荷平衡技術， 其分辨率達到24位。芯片內部有一個極低噪聲的斬波穩定儀表放大器， 最大增益高達64倍。該ADC非常適合測量稱重儀表、 過程控製、 科學和醫療等應用領域的單/雙極性小信號 [3] 。

圖中稱重傳感器模擬信號接入ADIN+、 ADIN-， 經過有電容電感組成的濾波網絡消除高頻幹擾後送入通道1。模擬信號在CS5532中經過放大、 模數轉換、 濾波， 最後數字信號從SDO輸出到MCU， 等待進一步處理。MCU通過SDI線對CS5532進行通道選擇、 前置放大器增益、 校正方式以及數據輸出頻率等設置。SDI和SDO是在時鍾信號SCLK的配合下進行讀寫操作， CS是片選信號，低電平有效。CS5532與MCU的具體連接如圖3所示。模數轉換需要一個精確穩定的模擬量參考電壓， 本儀表選使用DC-DC器件ZY0505BD產生隔離5V電壓再采用基準電壓芯片LM236-2.5等到精確穩定的2.5V參考電壓。

本儀表的主控製器選用某公司MSP430F147， 該單片機具有超低功耗、 16位RISC結構、 強大的處理能力、 係統工作穩定等特點。為使係統穩定可靠運行， 使用帶I2C串行CMOS E2PROM、 精密複位控製器和看門狗定時器的監控芯片CAT1161， 且儀表掉電仍需保存的數據存儲在 CAT1161 自帶的 16K E2PROM 中。另外與 VFD 顯示模塊、 以太網接口模塊通信接口選用某公司的MAX202CSE。模塊中IO電路與IO擴展電路原理一樣， 故在IO擴展模塊中講述。

2.3 VFD顯示模塊

 AT89C52與VFD專用控製芯片CS16312EN通信是使用了三根口線。P1.0與CS16312的DIN相連用於數據輸入。P1.1與DOUT相連用於數據輸出。P1.2與CLK相連， 產生串行時鍾信號。P1.3與STB相連， 產生數據/命令識別信號。DOUT口是N溝道開漏輸出， 故外接4.7K上拉電阻。CS16312芯片內建了OSC， 振蕩頻率由外接電阻決定， 電阻典型值為51K。CS16312的7根GRID線分別接到VFD的柵極 （grid） G1--G7,13根SEG線與VFD的陽極(anode)P1—P13相連。動態掃描顯示由CS16312內建硬件電路自動完成。GRID線循環輸出柵極掃描信號， SEG線輸出取之內部顯示RAM區與之對應的顯示信號 [4] 。 
 

引腳KEY1～KEY4和SK1～SK6可以一起構成4×6鍵盤掃描電路， 在顯示周期的末端掃描數據將存儲在鍵值數據RAM內， 24個按鍵使用3個字節存儲。本儀表數字鍵和功能鍵一共有20個， 所以設計了4×5鍵盤掃描電路。CS16312的LED驅動鎖存器的低4位對應於LED0～LED3引腳， 每個引腳的最大驅動能力為20mA。當其值為0時， LED燈亮； 值為1時， LED燈滅。

2.4 Ethernet接口模塊

 Ethernet接口模塊電路的核心元件是ZNE-10T， 該元件是廣州某有限公司開發的一款嵌入式網絡設備， 它內部集成了TCP/IP 協議棧， 用戶利用它可以輕鬆實現嵌入式設備的網絡功能 [5] 。ZNE-10T具有10M以太網接口， 最大115200bps的串口波特率， 多種工作方式(UDP、 TCPServer、TCPClient)， 功耗小於200mW等特性。ZNE-10T使RS232或RS485網絡升級到以太網， 使得向以太網傳輸數據等同串口傳輸數據(配置好模塊的IP地址、 子網掩碼、網關、 串口波特率等參數)。選用ZNE-10T大大縮短了儀表開發周期， 且設備價格不高。 

J0是帶兩個LED燈的以太網RJ45接口， ZNE-10T設備中引腳LED_RXD和LED_TXD是以太網數據發送接收指示燈輸出口， 所以將兩引腳連接在RJ45接口LED燈上用於指示發送接收狀態。圖中D1是水晶頭連接正常指示燈。ZNE-10T設備引腳TXD和RXD是串口信號接收發送口， 使用ZNE-10T時， RXD、 TXD直接和MSP430的UTXD1、 URXD1相連。注意使用時要將模擬量采集與控製板上的跳線帽拔除， 使得UTXD1、 URXD1引腳不與MAX202相連， 以免串口通訊收到幹擾。另外RST_H引腳用於ZNE-10T設備複位， 低電平有效， 直接與MSP430的P6.4引腳。

2.5  IO擴展模塊

輸入輸出電路選用鎖存器74HC373， 該芯片具有三態總線驅動能力。因為MSP430F147所有端口都是雙向口線， 本儀表選用P4端口作為輸出端口， P5端口作為輸入端口。74HC373鎖存信號LE由P6.1、 P6.2、 P6.3經3-8譯碼器74HC138獲得。輸入輸出都采用光耦隔離， 增強抗幹擾性。其中輸出電壓外接， 即輸出電壓可以根據需要連接， 最大耐壓為50V。

3 結束語

本儀表性能穩定、 設計合理、 功能強大、 使用靈活,能廣泛應用於各種稱重現場,滿足不同用戶的需要， 應用前景廣闊。其合理的硬件模塊化設計、 便捷的Internet網絡接入、 美觀的VFD人機界麵設計體現了當前電子稱重儀表的發展方向。

參考文獻：

[1] 浦方華, 田作華.一種基於W77E516的高精度電子稱重儀[J].測控技術， 2007,26(6):12-14.

[2] 周鴻,賈文.TOPSwitch單片開關電源的原理與應用[J].航空計算技術， 2002,32(1):48-51.

[3] CS5532芯片數據手冊[Z].

[4] 京東方.VFD33-0701A說明書[Z].

[5] 曾一凡,曾輝.C8051F基於ZNE-100PT的以太網監控係統[J].單片機與嵌入式係統應用， 2007(5):36-38.

本文源於網絡轉載，如有侵權，請聯係刪除