基于AD7714的高精度数字化称重传感器设计.pdf

第3 1卷第5期 2 00 9年O 电气电子教学报 J OURNAL OF E EE Vo1 31 No 5 Oc t 2 00 0 9 AD 7 7 1 4高精度数字称重传感器设计 邵文威 王祖 强 刘元 金融 王 金融 山东大学 信息科学与工程学院 山东 济南 2 5 1 0 0 摘要 模拟传感器抗干扰能力弱，灵敏度差 以及 目前一些数字称重传感器精度低的问题A D7 7 1 4的精度可 达 0 0 5 V mV 本文详细描述了 芯片设计高精度数字称重传感器应用的理论基础 介绍 2 4位 一 模数 转换器 AD 7 7 1 4的结构和功能特点 重点介绍了设计 的硬件原理和软件设计理念 通过 RS 以4 8 5的方式传输数据 确保数据的快速可靠传输 关键词 AD I I R过滤器 中图分类号 TP A 文章编号 1 00 8 0 8 6 8 6 2 0 9 0 500 6 4 4 0 4 The De s i g n o f Hi g h pr e c i s i o n Di g i t a l Lo a d Ce l l Ba s e d o n AD7 7 1 4 S HAO W e n we i W ANG Zu qi a n g LI U Yu a n c a i W ANG Ho ng z hu S c h o o l o f I n f o r ma t i o n Sc i e n c e a n d En gi n e e r i n g Sh a n d o n g Un i v e r s i t y Ji n an 2 5 0 1 000 Ch i n a Ab s t r a c t For s o me e x i s t i n g p r o bl e m s i n a na l og s e n s o r s u c h a s we a k a n t i i n t e r f e r e nc e a bi l i t y p oo r s e n s i t i vi t y a n d l o w a c c ur a c y o f s o me ki n ds o f d i g i t a l l o a d c e l l a c u r r e n t s e ns o r s y s t e m b a s e d on AD77 1 4 i s e s t a b l i s h e d wh o s e a c c u r a c y c a n r e a c h 0 0 5 V mV Th i s p a p e r d e s c r i b e s i n d e t a i l t h e t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n a n d i nt r o du c e s t he s t r uc t u r e a n d f u nc t i on f e a t ur e s o f 2 4 b i t 一 AD Co n v e r t e r AD77 1 4 I t f o c us e s o n t he ha r d wa r e p r i nc i p l e a nd s o f t wa r e d e s i g n i d e a s o f u s i ng t he c hi p t o d e s i gn di gi t a l l o a d c e l 1 Thi s d e s i g n t r a ns mi t t i n g i n t h e wa y of RS4 8 5 e ns u r e s t he r e l i a bi l i t y a n d t h e t r a ns mi s s i o n s pe e d o f t h e da t a Ke y wo r d s AD7 71 4 di g i t a l 1 oa d c e l l r a t i o me t r i c I I R f i l t e r 随着传感器 的小 模块 数字 智能 和网络 在各种称重仪器中 数字称重传感器 逐渐成为市场上 的新 与模拟称重传感器 相比 数字称重传感器 可靠性高 抗干扰能力强 通信速度快 防劣 效果显示 等 使 成为 称重传感器 的发展趋势 数字 称重传感器是 电阻应变 传感器 与现代 微电子技术和数字处理技术相结合的产物 数字 称重传感器的硬件结构 通过模拟传感器电路和数字处理 电路 分为 A D精度与基准源和电源密切相关， 电子设计 自动化和 AS I C设计 E ma i l we n we i s h a o 1 6 3 e o m 王祖强 1 9 5 7 男 教授 主要从事 E DA和及 AS I C 设计和智能测量控制的研究 刘元才 1 9 8 5 1 男 硕士 主要研究方向是电路和系统设计 王洪柱 1 9 8 6 男 硕士 主要研究方向是电路和系统设计 第5阶段 邵文威 王祖强 基于 AD 7 7 1 4高精度数 称 重传感器 设计 6 5 保留 维护 补偿参数 图片 1 系统信号 流程 在源芯片中 以参考源芯片的精度 和热稳定性最好 然而， 电源芯片 AD I 公司 AD 以7 8 0为例。 它本身的精度有 0 0 4 假设 环境温度变化 5 0 ， 温度漂移将达到 0 0 1 5 不能达到 系统 精度 要求 0 5 V mV 对于 的激励 因为 芯片输出 电流 非常 不超过 10 mA 选择 的激励 源需要 对应 变 电桥 电源 称 重传感器 电流 输出至少 1 5 mA 因此， 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 无法使用 OUT 如果用比率测量 ， A D基准电压 转换 r e f 电源 电压 电压 电压 电桥传感器 电源 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压和基准 电压 U 成 一 比例 关系 Uf e f A Ub 1 中 A 一 R R R U 一 Ub F 相对值 是传感器上的重力 A D转换器的输入电压平均值 ui 为 U 一 A 己 E 3 中 A 为前置 放大器 放大 倍 E 输入 失调 电压 A D转换 器 的输出值 N 为 N 一 N1 4 U r e f 式 中 N 常数 从1 到 4 N 一 N N 5 由式 可见 A D 转换器 输出中的第一项目只被称为 重量 F的函数 与供 桥电压 U 第二项与放 大器 输入失调电压 E Ub 因为 E 0 存在 N 仍然受供桥 电压 U 的影响导致测量误差 由式 5 可获得供桥电压的相对误差传导函数 D 一AUb 6 U F 1 Ub 从上 式 可以知道 如果 在 之前放置 大 器 输入 调整电压 E 和传感器的输出信号 U 如果0 可以与 相比，则不会忽视因供桥电压引起的 误差。 为了达到高 精度， 对 电源 或放大器 的输入失衡 电压提出了很高的要求 1 2 A D转换 器 AD7 7 1 4适用于 一款 A D 芯片 转换AD 7 7 1 4的输入 信号 加 至 专有 的基础 模拟调 制器 前端 调 制 制 器 的输出由片 内部数字 过滤器 处理 并通过 片 内部控制 寄存 装置 可用于这个数字 过滤器 第一 凹 口编程 允许 调整过滤器 的截止频率 和稳定时间 AD 7 7 1 4 有 3个 DS P 系统连接 通过 软件编程 可以设置 具有 自校 系统校准 和背景 校准 功能 可以消除零 点误差 满 量程误差 和温度 流动 的影响C MOS 结构确保 非常低的功耗 电模式 将 待 机功耗降低到 1 5 W 典型值 r 4 1 3数字过滤 在 本 设计中， mV 量 程 达到 0 0 5 x V mV 百万 分之五 的精度 是 系统 中的失调 电压 和必 至少 小于 5 V 由于 温度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 度、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 f噪 声 源 噪声 大大 超 过 了系 统设 计要 求 的最 小 分 辨 电压 的大 小 所 以 系统 数 字 滤 波必 不可 少 由于 I I R数字滤波器可以用较低的阶数获得较高的 选择性 使用的存储单元较少 本设计选择 I I R直接 直接 I I 型 1 4标 度 转换 通常测量系统 标度 转换 的问题 这是因为 测量对象的数据量纲和放大器以及 A D 转换器的输出值 不同 例如， 温度 的单位是 摄氏度 物 6 电气 电子教学报告 第 3 1 单位 为公 k g 等 设计 标度 转换为 线性 转换 标度转换公式可写为 Y 一 y 一Y X X N 一 N 4 Y 其 中 y 测量参数值y 参数量 程值 y X 对应 的模 数转换 输出值 N 模数 转换值 对应于量程 终点 N 为量 程 起点对应 模 数转换 值以上 y y N 和 N 对 于某 一 固定 的被 测 量 参数来说 是 常数 对 于不 同的 被 测参 数 它们 有 不 同的值 本 设计 是基 于单片机 的测 量系统 因此 可 以 随被测 对象 的不 同用 软件 的方法 来进行 不 同的标度 转 换 这 就使得 它具 有很好 的智 能化和 自动化 更有 利 于兼 容到 多功能 的综合测 量 系统 中 1 5 数 据补 偿 传感 器 的误差大 小直接 影 响到测 控系统 的性 能 和测量 准确度 非线 性特性 校正 硬件 补偿是采 用适 当的 电子线路 和元器 件进行 的校 正 但 其靠性 差 测 量 准确度 低 这 里 我们 选 择 软 件补 偿 由于 传 感器 动态特性 中不 可避 免 地存 在 非 线性 的成 分 因 此应 对 输 出信 号进 行非线 性补偿 在 非线 性 补偿 的方 法 中 曲线拟 合 的最 小 二乘 法 在解决 这类 问题 的数据处 理 和误 差 分析 中可 以提 高数据处 理 的效率 和 精 度 实 验 分析 表 明 三 阶 多 项 式最小 二乘 曲线 拟 合 能得 到很 好 的效 果 因 此本 设 计选用 此法对 数据 进行补 偿 2 硬件设计 2 1电源部分 因系统 精 度要 求很 高 必 须使 用 相互 独 立 的数 字 电源与模 拟 电源 系 统 且 模 拟 电 源选 用 低 噪声 的 线 性稳压 电源 2 2 AD7 7 1 4与模拟传 感器 的接 口电路 虽然 AD 7 7 1 4内部 自带 P GA 但 随着 增 益 和测 量 速率 的增 大 AD7 7 1 4分 辨率 明显 降低 已经 不能 满 足系统 的需求 所 以需 要在 A D转 换器 前端 加一 级放 大 同时根据 输入 信号 的幅度灵 活调 整 A D转 换器 的增益 使 系统 达 到 更好 的性 能 其 电 路参 见 图 3 2 3 A D 7 7 1 4与 MC U 的接 口电路 系统 采用 S P I 接 口与 MC U 相 连 AD7 7 1 4作 为 从 机 MC U 作 为 主 机 并 使 用 中 断 模 式 对 于 A D7 7 1 4 使 能它 的缓 冲模式 在缓 冲模式 下 模 拟 输 图 3 AD7 7 1 4与前 端 放 大 电路 入 端面 对片 内缓 冲放 大器 的高阻抗 输入级 输 入采 样 电容 经此缓 冲放 大 器充 电 使 源 阻抗 不 影 响采 样 电容 的充 电 不 会产 生增益 误差 3 软件设计 系 统选用 了成本 较低 的 8 位 5 1系列单 片机 由 于嵌入 MC U 指令 与 8 0 5 1兼容 所 以可 以利用 8 0 5 1 单 片 机 的 软 件 资 源 进 行 软 件 开 发 但 要 理 解 A D7 7 1 4的特 殊功 能寄存 器 S F R才 能对 AD 7 7 1 4的 各个 功 能 进 行 很 好 的 控 制 系 统 软 件 充 分 利 用 A D7 7 1 4提 供 的校 准 的功 能 当传 感 器 自身 出现 误 差时 系统软 件充 分 利 用 AD 7 7 1 4提 供 的 内部校 准 和系统 校准 的功能 可 以进 行 内部 零位 和满 量程 校 准 解决 了除传感 器之 外 的漂 移误差 传 感 器信 号转 换 成数 字 信 号后 经 数 字滤 波后 进行标 度校准 和调 整 处 理完成 的数 据通过 串行通 讯送到 上 位 机 所 有 的参 数 可 以存 储 在 E E P RO M 中 即使 在突然 掉 电情况 下 参数 能够 可靠保存 信 号处理 算法 流程 图如 图 4所示 甬 N 系统初始化 等待 I 一 进行判断 执行相应操作 中本机地址 r 发送应答 娟 菡 进行数字滤波 二二二 二二 进行标度转换 二二二 二 进行非线性补偿 等 待 机是否准 输 出数据 丁 结束 图 4信号处理算 法流程图 下转第 7 9页 第 5 期 张爱娟 叶宇煌 等 数字机顶盒 的 OS D设计与优化 7 9 从上级菜单进 入下级菜单 时 两 级之 间相 同的 区域 不 重绘 两级 之间不 同 的区域 利用 拷 屏 函数 先拷 到 一 个 缓存 区 再绘 制 出下级 菜 单 跟上 级 菜 单不 同 的区 域 当从下 级菜单退 回上 级菜单时 不 用重 新绘制 上 级菜单 直 接将 缓存 区 中的数 据释 放 出来 就 可 以 了 这样做 既可 以抗 闪烁 又可以方便应用层 操作 3 多语言字符 串显示管理 数字 机顶 盒界 面通 常必须 支持 多语 言字 符 串显 示 传统的做法是每个字符串对应一个变量 如果 系统 语 言是英 语 则 直接 把该 字符 串赋 给这个 变量 如果 是其 他语 言 则 把 该 字 符 串利用 工具 生 成 该 种 语 言 的对 应码 值 再 把 该 码值 赋 给 对 应 变 量 但 这 样会 每增 加一 种语 言 或 者 每更 换 一 套 界 面 都 要 先 人 工地 把每个 字符 串转 换 成对 应 码 值 然 后 再 赋 给 对 应变 量 这 一过 程 将 需 要 花 费较 长 的时 间 而 且 容 易 出错 本 文采用 一种 新 的字符 串管 理方法 以提高设 计 效 率 首先 引入识 别 码 I D 的概念 这 里 的 I D就 是 用 来表 征是第 几个 字符 串 原来 用来存 放 字符 串的 变量 现在用来存放该字符 串的 I D 把所有界面要 用 到 的字符 串按 图 3所 示格 式全 部 填充 到 E x c e l 表 中 然后 保存 成文 本格 式 的文件 L ANGUAGE I Dl R NHL I S H l A R ABIA I F RE NC H I GE R MAN 图 3 字符串在 E x c e l 表中的存放格式 再 利 用 工 具 把 各 种 语 言 归 类 到 一 个 文 件 中 这 个 文件 中 存 放 的 是 一 个 数 组 数 组 的前 面 部 分 存 放 的是 各 个 字 符 串 的 码 值 起 始 位 置 其 余 部 分 是存放各字符 串的码 值 显示 字符 串 的时候 通 过 I D读 取数 组 中 的对 应 元 素 值 就 可 以 知 道 该 字 符 串码值 的 起 始 位 置 从 而 就 可 以 获 得 字 符 串 的 码 值 再 参 照 上述 字 符 数 据 显 示 管 理 方 法 显 示 对 应 的 字符 串 采 用 这种 方 法 后 如 果要 增 加 一 种语 言 或者 更 换一套界面 就只要对 E x c e 1 表进行修改 然后保存 成 文本 格式 的 文件 利 用 工 具 生 成 新 的 文件 用 新 文 件替 换掉 旧 的文 件 就 可 以 了 使 界 面 的字符 串显 示 管理 更清 晰 和简便 参 考 文献 1 王新乐 基于嵌 入式操 作 系统 的图形 用户 接 V I 的研 究与设 计 D 天津 天津 大学 电子信息工程学院 2 0 0 6 2 贺 玮 嵌入式 D VB C数字机 顶盒的研究 与开发 D 武汉 武 汉理工大学 自动化学院 2 0 0 7 3 杨建华 数字 电视原理与应用 M 北京 北京航 空航天大学出 版 社 2 0 0 6 4 郑庆华等 C语言实用程序与软件工具 M 西安 西安 交通大 学 出版 社 1 9 9 6 5 3 左广巍 董朝霞 数码相机中基于 O S D技术的图文显示解 决方 案 r J 北 京 微计算机信息 2 0 0 4 2 0 1 0 上接 第 6 6页邵文威 等 文 4 结 语 由于模拟传感器 的 mV级信号易受干扰 在传 输 中还 因电缆 电阻 的影 响而 衰 减 难 以满 足 实 际需 求 本文 采用 的数字 化传 感器 可 以在最 近 的距 离 内 将模拟小信号转化为数字量并输 出 不但 电平要 高 出模 拟式 百 倍 而 且 可 用 数 字 滤 波 算 法 提 高 精 度 按照 RS 4 8 5通信协议传输 提高 了传输灵敏度 也 保证 了数 据快 速可靠 的传 输 由于采用 了模 拟传感 电路 与数 字处 理 电路 一体 化 的结 构 设 计 数 字 化传 感器 的输 出特 性通过 软件 非线 性数 据补偿 来 进行 自 动校 正 确 保输 出特 性 的一致 性 参考 文献 1 苏堡莹 金伟 曹建伟 顾 临怡 高精 度力传 感器信号直 接数字 化技术研究 J 杭州 机电工程 2 0 0 5 2 2 5 1 9 2 2 E 2 3 张安琪 余柏 南 比率测量技术 中应注意的问题 J 北京 计量 技术 2 0 0 0 9 2 2 3 秦泓江 肖圣 高世博 郑福荣 AD7 7 1 4可编程模 数转换器及 其应用I j 西安 石油仪器 2 0 0 5 1 9 4 7 3 4 武汉力源电子 股份有 限公 司 3 V 5 V CMOS 5 0 0 u A 信号 调理模数转换器 1 9 9 9

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