??? 摘 要： 利用ADI公司的AD?滋C845芯片，提高了系統(tǒng)集成度，采用硬件獨(dú)特設(shè)計(jì)以及軟件濾波、軟件非線性補(bǔ)償算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種精度達(dá)10^-5以上的高精度數(shù)字式應(yīng)力傳感器，滿足在一些高精度測(cè)量領(lǐng)域的需求。同時(shí)，豐富、簡(jiǎn)便的軟件通信協(xié)議" title="通信協(xié)議">通信協(xié)議使傳感器在使用過(guò)程中的校準(zhǔn)、去皮重、軟件濾波、多傳感器同時(shí)工作（陣列方式）時(shí)的地址設(shè)置變的非常方便、快捷。
??? 關(guān)鍵詞： ADμC845? 高精度測(cè)量? 軟件濾波? 補(bǔ)償算法? 通信協(xié)議

?

??? 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)傳感器的要求也隨之提高，近年來(lái)出現(xiàn)的數(shù)字傳感器" title="數(shù)字傳感器">數(shù)字傳感器就是一個(gè)很典型的例子。
??? 目前批量生產(chǎn)的模擬式應(yīng)力、應(yīng)變傳感器的轉(zhuǎn)換精度一般在萬(wàn)分之三至萬(wàn)分之一，甚至更高。而一些比較常用的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)字傳感器中集成電路芯片內(nèi)置的A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器通常是14位的，其極限量化誤差在±(1/2)×2^-14左右，即絕對(duì)值相當(dāng)于2^-14，也就是說(shuō)，A/D的最后一位通常是靠不住的。因此這類芯片的轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到十進(jìn)制的萬(wàn)分之1.2。從上面分析可以看出，靠這類芯片無(wú)法保證原模擬式傳感器的轉(zhuǎn)換精度，因?yàn)榱炕`差已經(jīng)與模擬傳感器" title="模擬傳感器">模擬傳感器的誤差處在一個(gè)數(shù)量級(jí)。而數(shù)字化后的傳感器精度如果低于原模擬傳感器的精度，這種轉(zhuǎn)換就已失去意義。
??? 此前也有一些利用24位的A/D(如AD7730等)與CPU的組合，設(shè)計(jì)出數(shù)字傳感器，但其系統(tǒng)集成度明顯較低，可靠性也因此降低，而成本則高于本設(shè)計(jì)。
??? 本文采用ADμC845芯片，利用其內(nèi)置的24位A/D、串行口，配以外部232/485芯片、外部數(shù)據(jù)平滑濾波算法及通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種集成度較高、能輸出232/485數(shù)字量的高精度數(shù)字式應(yīng)力傳感器，其量化誤差在±(1/2)×2^-24左右，即相當(dāng)于2^-24，低于1ppm（百萬(wàn)分之一）；不僅如此，本設(shè)計(jì)更大的優(yōu)點(diǎn)是可以將模擬傳感器的剩余非線性補(bǔ)償?shù)?，使其性能更加?yōu)越；同時(shí)，采用數(shù)據(jù)平滑濾波又增加了輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。通過(guò)通信協(xié)議，可以對(duì)傳感器的輸出做零點(diǎn)校準(zhǔn)、滿刻度校準(zhǔn)、去皮重、軟件濾波、多傳感器同時(shí)工作等多種設(shè)置，也可以非常方便地讀出傳感器當(dāng)前的各種狀態(tài)，如A/D是否溢出、是否計(jì)量達(dá)到設(shè)定值等，使傳感器成為真正意義上的數(shù)字傳感器。此外，還為使用者提供了若干個(gè)I/O" title="I/O">I/O狀態(tài)端子，將動(dòng)態(tài)計(jì)量過(guò)程特征量通過(guò)這些端子表現(xiàn)出來(lái)，成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施控制的依據(jù)，從而具有了控制的功能。
1 硬件組成及工作原理
1.1 ADμC845原理框圖
??? 圖1所示為ADμC845的原理框圖。

???????????????????
1.2 ADμC845的優(yōu)勢(shì)
??? ADμC845是51系列兼容的8位單片機(jī)，選擇該芯片做為數(shù)字傳感器的核心主要基于其眾多特點(diǎn)中的幾個(gè)突出性能：
??? (1)24位∑-Δ A/D轉(zhuǎn)換器（∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器的工作原理在諸多參考文獻(xiàn)中已有敘述^[1]），具有差分模擬輸入、24位無(wú)失碼、21位有效分辨率、±0.0018%線性誤差等特點(diǎn)。由于采用∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù),量化噪聲被移至A/D轉(zhuǎn)換的頻帶以外,因此特別適合用于寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的低頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換,具有優(yōu)良的抗噪聲性能。為高精度、低噪聲地轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)提供了條件。
??? (2)62KB FLASH程序存儲(chǔ)器、4KB FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以支持51系列嵌入式操作系統(tǒng)以及豐富的通信規(guī)約、復(fù)雜的功能。
??? (3)內(nèi)置看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer），節(jié)省外部資源，使工作更可靠。
??? (4)內(nèi)置溫度傳感器，該芯片已經(jīng)具有低溫漂的特性(0.5ppm/℃)，但為了滿足更高性能的要求，利用內(nèi)置的溫度傳感器，可對(duì)寬溫度范圍工作時(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。
??? (5)低功耗。休眠模式下電流低于20μA。
??? (6)寬溫度范圍,該芯片有兩種工作溫度范圍：-40℃～+85℃和-40℃～+125℃，完全滿足工業(yè)級(jí)的需求。
??? 以上特點(diǎn)，使ADμC845具有了很多其他芯片組合在一起的優(yōu)點(diǎn)，因而集成度更高、可靠性更好。
1.3 數(shù)字傳感器工作原理
????? ADμC845的優(yōu)勢(shì)使系統(tǒng)硬件變得簡(jiǎn)單，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。其原理框圖如圖2所示。

???????????????
??? 模擬傳感器橋?qū)⒂?jì)量應(yīng)變信號(hào)直接送給ADμC845的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)片內(nèi)固化兩級(jí)濾波、再經(jīng)軟件濾波進(jìn)一步處理后由RS232或RS485芯片按一定協(xié)議輸出，供外部電路處理。
??? 其中：
??? (1)切換電路用于232/485模式切換，可以通過(guò)設(shè)置選擇；長(zhǎng)距離傳輸時(shí)采用485模式。
??? (2)保護(hù)電路（含TVS管和光隔）用于保護(hù)通信芯片及CPU不受外部突發(fā)干擾的損害。
??? (3)端子不僅包括電源、通信信號(hào)（RS232時(shí)為TX、RX、GND；RS485為A、B），也包括可選的I/O端子以便完成一些控制功能。當(dāng)需要根據(jù)不同的計(jì)量信號(hào)而對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，可用這些端子的輸出作為控制信號(hào)，其中有3個(gè)是達(dá)到不同預(yù)設(shè)（動(dòng)態(tài)）計(jì)量值的變位（0/1）端子，計(jì)量超差端子等。
??? 需要特別指出的是：
??? (1)模擬電源與基準(zhǔn)電源的處理：通常的做法是將模擬電源（橋的激勵(lì)電源）、數(shù)字電源、A/D參考電源分開，但在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，將模擬電源與參考電源共用一個(gè)電源時(shí)效果會(huì)更好。其理由就是這種接法在電源電壓略有波動(dòng)時(shí)，橋的激勵(lì)電源與參考電壓發(fā)生同步變化，在采樣值上這種波動(dòng)就被抵消了，從而使A/D轉(zhuǎn)換的值更趨于穩(wěn)定。
??? (2)為使硬件工作穩(wěn)定，ADμC845附近的走線，特別是電源、地線及I/O線的屏蔽等均要考慮^[2]。
??? (3)串行通信接口：可根據(jù)不同需求選擇232接口或485接口，并通過(guò)軟件設(shè)置來(lái)改變。
2 軟件編程
2.1 多任務(wù)描述
??? 采用多任務(wù)機(jī)制，將圖3各功能用子任務(wù)的形式運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

???????????????????
??? 其中：
??? 主任務(wù)——?jiǎng)?chuàng)建子任務(wù)并對(duì)各項(xiàng)子任務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)；
??? 采樣及非線性補(bǔ)償任務(wù)——完成A/D轉(zhuǎn)換及片內(nèi)數(shù)字、片外軟件濾波、模擬傳感器的非線性補(bǔ)償；
??? 溫度采樣任務(wù)——實(shí)現(xiàn)溫度采樣及溫度補(bǔ)償；
??? 通信及參數(shù)設(shè)置任務(wù)——實(shí)現(xiàn)不同速率的串行通信及各種參數(shù)的設(shè)置；
??? 控制信號(hào)輸出任務(wù)——實(shí)時(shí)輸出I/O變位信息。
2.2 數(shù)字濾波
2.2.1 片內(nèi)固化的兩級(jí)濾波
??? 芯片內(nèi)部自帶兩級(jí)數(shù)字濾波器，濾波方式、數(shù)據(jù)輸出速率可通過(guò)對(duì)濾波寄存器編程進(jìn)行選擇。第一級(jí)濾波器是SINC3濾波（三階梳狀濾波），具有斬波和非斬波兩種工作方式，能消除量化噪聲；第二級(jí)濾波器是FIR濾波（有限階躍響應(yīng)濾波），具有三種工作方式：①直通方式，②低通濾波器方式，③快速階躍方式。可根據(jù)不同需求選擇。
?為了提高對(duì)不同對(duì)象的測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，系統(tǒng)又通過(guò)編程增加了如下濾波方法。
2.2.2 軟件濾波
??? (1)遞推平均濾波法（又稱滑動(dòng)平均濾波法）
??? 其濾波原理如式(1)
??? ?

??? 當(dāng)然，如果在補(bǔ)償過(guò)程中個(gè)別點(diǎn)的誤差比較大或有些要求極高的場(chǎng)合，也可以采用分段補(bǔ)償?shù)霓k法^[4]。在寬溫度范圍下做高精度測(cè)量時(shí)，可利用ADμC845的內(nèi)置溫度傳感器采用逐點(diǎn)描述法在量程內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
4 通信協(xié)議及典型功能
4.1 串行口
??? 為了使本傳感器能夠適應(yīng)多種情況下的測(cè)量需要，在軟件上做了比較細(xì)致的工作。串行通信口既做為ISP(在線編程)口來(lái)設(shè)置內(nèi)部參數(shù)，也做為串行數(shù)據(jù)輸出口。
4.2 通信協(xié)議及功能
??? 仿照國(guó)外流行的數(shù)字傳感器通信協(xié)議（如德國(guó)HBM公司的AED_Panel32），抽取部分使用的命令，形成了一個(gè)協(xié)議子集，共有命令36條（原協(xié)議命令105條），通信格式如下：
??? 命令（參數(shù)1）<參數(shù)2>；
??? 其中“命令”由三個(gè)大寫英文字母組成，參數(shù)1、2一般由10進(jìn)制數(shù)組成（個(gè)別例外），如：“ADR01”表示目前指向地址為“01”的數(shù)字傳感器，其地址范圍從00～99。“BDR9600”則表示設(shè)置下面的所有傳感器的通信波特率為9 600b/s。
??? 另外還規(guī)定了對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)及計(jì)量目標(biāo)值設(shè)定等通信命令，使傳感器真正實(shí)用化。
?規(guī)約命令分類：非線性修正、通信參數(shù)設(shè)置、地址設(shè)置、濾波器設(shè)置、計(jì)量校準(zhǔn)（包括零點(diǎn)和滿偏校準(zhǔn)）、計(jì)量過(guò)程參數(shù)設(shè)置（快投、慢投等）、工作狀態(tài)傳遞（計(jì)量、ISP狀態(tài)等）。
??? 在485通信模式下，設(shè)置及校準(zhǔn)完好的多個(gè)傳感器可以同時(shí)以“掛燈籠”方式工作，系統(tǒng)最多可以容納100個(gè)傳感器，通信波特率可以達(dá)到115 200b/s。在計(jì)量過(guò)程中，不僅能通過(guò)串行口源源不斷地給出計(jì)量值和自身的工作狀態(tài)，還可以通過(guò)輔助I/O端子，輸出控制輔助信息，便于使用者直接對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電機(jī)、閥門等）實(shí)施控制。
5 測(cè)試
??? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)出廠前的應(yīng)變片式模擬傳感器（量程500kg、標(biāo)定精度萬(wàn)分之2）做了數(shù)字化處理，并在BFSM型力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試。
5.1 系統(tǒng)設(shè)置
??? 系統(tǒng)的具體設(shè)置如下：
??? (1)片內(nèi)A/D采用連續(xù)采樣；
??? (2)片內(nèi)濾波第一階采用斬波方式、第二階采用低通濾波器方式；
??? (3)軟件濾波采用一階滯后濾波法；
??? (4)非線性補(bǔ)償：這里采用最小二乘法補(bǔ)償，在T=300K的恒溫下，做多點(diǎn)擬和，計(jì)算出式(4)中的a、b的值，并記入采樣及非線性補(bǔ)償任務(wù)中備用；
??? (5)通信采用485方式；
??? (6)加載及卸載均按照0～500kg內(nèi)均勻設(shè)點(diǎn)的方式（0、40、80、120、160、…、480kg）。
5.2 測(cè)量方法
??? (1)精度方面的測(cè)量，在上述的標(biāo)準(zhǔn)砝碼點(diǎn)上與理論值及標(biāo)定精度值進(jìn)行比對(duì)；
??? (2)非線性補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量，在上述各點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)試，并使軟件中最小二乘法補(bǔ)償開關(guān)分別處于接通和斷開狀態(tài)，觀察不同的結(jié)果。
5.3 測(cè)試結(jié)果
??? 測(cè)試結(jié)果表明：
??? (1)按照模擬傳感器的測(cè)試記錄，標(biāo)定有萬(wàn)分之2精度的傳感器經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換及數(shù)字化后，在上述的標(biāo)定點(diǎn)上的測(cè)量結(jié)果與原傳感器出廠記錄完全相同，即不產(chǎn)生附加誤差。
??? (2)在非線性測(cè)量點(diǎn)上，當(dāng)不使用最小二乘法補(bǔ)償時(shí)，最大非線性誤差（380kg點(diǎn)上）為萬(wàn)分之1.7，在同樣條件下，使用最小二乘法補(bǔ)償，最大非線性誤差減小為萬(wàn)分之0.6。
??? (3)輔助I/O點(diǎn)的使用?？蓪?個(gè)I/O點(diǎn)（主要為輸出點(diǎn)）分別設(shè)為運(yùn)行、快速投料、慢速投料、卸料。在啟動(dòng)測(cè)量時(shí)“運(yùn)行”有效、經(jīng)延遲后“快速投料”及“慢速投料”均有效，達(dá)到某設(shè)定值時(shí)“快速投料”失效，達(dá)到另外的（較大）設(shè)定值時(shí)，“慢速投料”失效，經(jīng)計(jì)量慣性而達(dá)到預(yù)設(shè)計(jì)量目標(biāo)值并穩(wěn)定后，“卸料”有效。當(dāng)然，也可以根據(jù)要求將各I/O設(shè)定為其他方式。
??? 總之，通過(guò)實(shí)際的測(cè)試，證明系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)——數(shù)字傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的數(shù)字化，更重要的是通過(guò)軟件可以補(bǔ)償傳感器殘留的非線性，使其性能提高1個(gè)數(shù)量級(jí)，以實(shí)現(xiàn)精度更高的測(cè)量。在輔助I/O的協(xié)助下，還可以實(shí)現(xiàn)多種控制功能，使其更加智能化。
參考文獻(xiàn)
[1] AD7730/AD7730L Bridge Transducer ADC.Analog Device?Inc，1998.
[2] 周勝海.傳感器非線性的硬件校正方法[J].傳感器技術(shù)，2002，21(5).
[3] 賈智偉.傳感器信號(hào)的非線性補(bǔ)償[J].傳感器技術(shù)，2002，21(5).
[4] 朱慶保.傳感器特性曲線的自適應(yīng)分段最佳擬合及應(yīng)用[J].傳感器技術(shù)，2002，21(1).
[5] 王化祥.傳感器原理及應(yīng)用（修訂版）[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999.