多通道负荷测量仪设计与应用

钟金德 / 福建省计量科学研究院；国家市场监管总局重点实验室（力值计量测试）；福建省力值计量测试重点实验室

0 引言

负荷测量仪与应变片配套，用来测量扭矩和压力等物理量，其广泛应用在材料试验机、工作测力仪、扭矩仪等测量装置的力值、扭矩参量的测量中。目前使用的测量仪表多为单个硬件通道，无法实现多通道同时测量，并且人机交互能力有限[1]。为克服仪表的缺陷，设计多通道负荷测量仪，仪表在中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）单片机硬件结构基础上，根据实际测量过程中的功能需求编制软件程序，实现在多通道数据准确采集的同时，使用触摸屏实现仪表操作和信息显示，满足力值、扭矩工业在线计量需求[2-8]。

1 总体方案设计

多通道高精度仪表（图1）主要由多级稳压电源、模数转换环节（A/D）、微处理器（MCU）、参数存储器（SPIFLASH）、通信接口组成。采集系统将张力传感器输出的应变信号经高精度24 位A/D 转换器放大、转换，并送入微处理器进行数字化和规范化处理，通过RS485 总线输出到PLC、LCD 显示屏。

图1 多通道高精度仪表框图

为此设计了多通道高精度仪表，以51 单片机为主控CPU，由3 通道标准传感器同步数据采集模块、二级放大电路模块、A/D 转换模块、FLASH 存储模块、液晶显示模块、电源模块以及PC 上位机组成。

采集多通道标准传感器载荷信号的采集模块利用同步采样滤波技术，A/D 转换模块采用带有自校正功能的∑-Δ 24 位A/D 转换器，其由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路、∑-Δ 调制器以及可编程数字滤波器等组成，保证示值稳定至30 万码，理论示值至800 万码。电源模块包括整流、滤波、稳压电路，对传感器进行差分供电（±5 V），克服电源零点漂移。液晶显示模块自带触摸屏功能，可以进行数据储存的选择，即根据需要选择储存的数据，并通过SD 卡存储，方便数据处理。此外，采集到的载荷信号和温度数据通过RS485 总线传送至PC 上位机，在上位机中进行数据显示，并进行标准传感器温度补偿。

2 A/D转换数字模块设计

A/D 转换数字模块由单片机、HX717 芯片、晶振、通信芯片、稳压芯片等组成。

2.1 A/D 转换芯片选型

HX717 芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等在内的其他同类型芯片所需外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了高精度仪表的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为128 或64，通道B 的可编程增益为64 或8。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器提供电源，系统板上无需添加模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。

2.2 A/D 转换电路设计

HX717 芯片外围电路如图2 所示。

图2 HX717 芯片外围电路

2.3 串行接口设计

串行通信线由串行时钟输入口PD_SCK 和串行数据输出口DOUT 组成。 当DOUT 为高电平时，表明A/D 转换器还未准备好输出数据，此时PD_SCK应为低电平。

当DOUT 从高电平变为低电平时，PD_SCK 应输入25 或28 个时钟脉冲，参见图3。其中第1 至第24 个时钟脉冲的上升沿送出24 位ADC 数据；第25至第28 个时钟脉冲用来选择下一次A/D 转换的输入通道和增益，参见表1。

表1 输入通道和增益选择

图3 数据转换循环命令和时序

PD_SCK 脚断电可以用于控制芯片的断电。当DOUT 脚由高电平变低电平时，发送30 个PD_SCK时钟脉冲，且第30 个时钟脉冲的上升沿保持在高电平超过80 μs 时，芯片进入断电状态。当PD_SCK 重新回到低电平时，芯片进入工作状态，保持断电前的A/D 转换速率。芯片从上电、断电状态进入工作状态或改变A/D 转换速率，A/D 转换器需要4 个数据输出周期才能稳定，即DOUT 在4 个数据输出周期后才会从高电平变为低电平，输出有效数据。

2.4 A/D 转换软件设计

1）对设备初始化和释放。

2）把数据从内核传送至硬件并读取数据。

3）读取应用程序传送至设备文件的数据和回送应用程序请求的数据。

4）检测和处理设备出现的错误。

A/D 转换驱动程序设计要点：（1）A/D 转换驱动程序的初始化。主要负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工作以及设备号的申请；（2）A/D 转换驱动程序的文件操作结构。定义相应的接口函数，如打开程序open（）、写指令write（）等，以供具体的系统调用；（3）A/D 驱动程序的控制模块。主要包括打开程序open（）、关闭指令realse（）、写指令write（）函数实现部分三大块。打开程序open（）函数负责A/D 转换设备的打开，关闭指令realse（）负责A/D 转换设备的关闭，写指令write（）函数实现对模拟信号的采集、转换和输出；（4）驱动的加载和卸载。A/D 转换软件设计图如图4 所示。

3 存储和显示电路设计

3.1 闪存电路设计

选用W25X32VSSIG，该串行闪存提供称重仪表内部有限空间，及引脚和电源系统的存储解决方案。该芯片提供的灵活性和性能远远超出普通的串行闪存器件。该器件由2.7 V 至3.6 V 单电源供电，电流消耗低至5 mA 且具有1 μA 的关断模式。所有器件均提供节省空间的封装。具有SPI 单或双输出，时钟、片选数据I/O 数据输出、可选锁定功能的SPI 灵活性。数据传输高达150 MBit/s，具有灵活的架构与4 KB 扇区。闪存电路如图5 所示。

图5 闪存电路

3.2 外部显示电路

采用了TM1621，一种128 点阵式存储映射多功能LCD 驱动电路。TM1621 的S/W 结构特点，使它适合点阵式LCD 显示，包括LCD 模块和显示子系统，如图6 所示。

图6 外部显示电路

3.3 RS232 和RS485 通信接口设计

考虑仪表通用性，预留设计了RS232 和RS485通信接口，根据通信距离、通信设备数量的不同，仪表设计了RS232 和 RS485 两种串口通信模式，其中，RS232 用于单机短距离通信，RS485 可用于多机远距离通信。电路中通过跳线开关切换两种通信模式，通过MAX232 和MAX485 两种芯片实现TTL信号电平的转换，并与同时选用的6N137 高速光耦对STM32 与MX232 与MX485 芯片之间的信号进行光电隔离，降低信号传输过程中的干扰，有效提高信号传输的稳定性，串口通信电路如图7 所示。

图7 通信接口电路设计

3.4 交互界面设计

上位监控站承担的主要任务为过程可视化、过程控制、显示报警、参数管理等，本研究选用集中LCD 集中显示，其底层程序在出厂时已固定，可以通过RS485 通信接口与PC 端上位机交互数据。人机交互界面具有实时显示力值能力，也可以通过按键来设定不同状态下的力值。

4 仪表测试及数据分析

依据JJF 1469—2014《应变式传感器测量仪校准规范》使用K148 桥路校准单元对多通道高精度仪表[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时进行校准，数据如表2 ～表4 所示。

表2 通道1 测试结果

表3 通道2 测试结果

表4 通道3 测试结果

通过对多通道负荷测量的性能指标分析，该仪表主要性能指标：测量范围0 ～2.5 mV/V，示值重复性<0.05%，示值相对误差优于±0.1%，示值相对分辨力优于±0.05%；仪表的各项性能指标均达到0.1 级应变式传感器测量仪的技术要求。

5 结语

本文设计的多通道负荷测量仪，可应用于力值、扭矩等多通道数据采集，如张力测量模块[10]，实现3 个力值信号的同时测量，并且能够将测量数据直接进行计算存储，体积小、稳定性高、重复性好，符合智能化仪表发展趋势，具有较高的实用价值。