0引言

称重计量技术在冶金、交通、电力、建材和化工 等领域有着非常广泛的应用。在生产过程或工艺 流程中，对各种配料称重、定量称重及动态称重技 术的要求越来越高。衡器已成为工艺技术、预包装 技术、收发货业务及商贸行业中必不可少的组成部 分，称重传感器及智能称重仪表作为衡器的心脏部 件，在工业过程控制和贸易结算等方面倍受 重视⑴。

目前，称重传感器主要分为压电式、压磁式和 电阻应变式，其中电阻应变式称重传感器是现阶段 应用广泛、性能稳定、准确度高且技术成熟的称重 传感器⑴。它利用金属弹性体的应变效应进行转 换，在力的作用下，弹性体发生形变，带动应变片 发生形变，产生电阻的变化，电阻的变化反映力的 大小。

为了解决传统称重仪表设计方法上的不足，本 文对国产基手CSU60和ATmegal6L设计的智能称 重仪表结构原理介绍如下。

1简化结构设计

在给定激励电压10-12V的条件下，电阻应变 式称重传感器的输出电压在0 ~30mV,如此微弱的 信号只有在智能称重仪表的配合下，将传感器的信 号转化成重量，并通过各种通信接口输出给上位 机^[2~^4]o称重仪表的组成结构如图1所示⑸。信号 调理电路主要由滤波电路、抗混叠电路等组成；放 大电路主要由运算放大器构成，用来将毫伏级信号

放大到伏级，以便A/D电路将其转化成数字量。

 

图1称重仪表组成结构

 

上述电路中，半导体集成度不高、器件多、温度 补偿不好控制并且可靠性低。而由深圳生产的 CS1160是16位高精度、低功耗Sigma-Delta模数转 换芯片，可以在2.7 -5.5V电源电压条件下工 作⑸。CS1160的1 ~128倍可编程增益放大器，当 工作在128倍时，CS1160有效分辨力可达16bits_o 备有一个二阶Sigma-Delta调制器，芯片的FIR滤波 器提供50Hz和60Hz陷波滤波，有效提高了芯片的 抗干扰性能。

该芯片不仅集成了信号调理电路、放大电路和 数模转换电路，还提供了非常适合仪表产品的校正 功能。因此，可将图1简化为图2所示的设计 简图。

2改进硬件设计

随着信息技术的高速发展，微控制器（MCU） 的性能大幅度提高，为高度智能化仪表的设计制造 提供了平台。本文智能称重仪表设计采用Atmel公 司的ATmegal6L高性能、低功耗8位AVR微处理 器。它采用先进的RISC结构，工作于16MHz时性

 

图2称重仪表设计简图

能高达16MIPS；内置16kB的系统内可编程Flash、 512B 的 EEPROM、lkB 的片内 SRAMJTAG 接口支 持扩展的片内调试功能;2个8位定时器/计数器、1 个1位定时器/计数器、4通道PWM、8路10位 ADC.TWI两线接口、SPI串行接口、串行USART接 口等。

基于CS1160和ATmegal6L设计的智能称重 仪表具备以下特点：自动调零、自动平衡、自动补 偿和自选量程等信息处理功能;数据自动采集、预 处理、相关滤波，且由传感器本身消除异常值和例 外值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息； 能够随机标定;具有一定程度的记忆与处理功能， 内含特定算法并可根据需要进行改变；能输出数 字信号，具有远程通信能力和良好的人机界面。 依照上述要求设计的智能称重仪表外围电路如图 3所示。集成芯片CS1160有16个管脚，模拟电 源(+12V, AGND)、数字电源(卩cc, DGND)、参考 电压(匕Q都是单独分开的，数模转换的时钟由一 个4.9152MHz外部晶振实现，参考电压5 V由 TI431提供，所以R,。和R”选择了 IO®精度的等 值27kfl电阻。电阻应变传感器的激励电压选择 + 12V直流，差分信号经阻容滤波电路后接到 CS1160的AIN₀和AIN］两端。CS1160芯片的 DRDY、SCLK、SDO、SDI、CS引脚分别是数据准备 就绪、串行时钟、串行数据输出、串行数据输入、片 选，它们与MCU的SPI接口连接，用来读写控制 CS1160,完成数模转换。

主控MUC釆用ATmegal6L高性能AVR芯片， 外部晶振采用7. 3728MHz,方便在线调试和程序烧 录;LCM选择了 OCMJ4X8C,其内置一二级汉字库、 128 x64的显示点阵，可以显示图形和中英文字符, 而无需自建字模。该液晶还可以通过PSB控制引 脚，切换到串行方式，节省MCU的I/O引脚。

3优化程序设计

CS1160使用了一系列指令来完成对芯片的工 作模式、工作速度和误差校正等的控制。接收数据 时总是高位在前,发送数据的格式则由ACR寄存器 的BITORDER位来决定。CS1160指令描述如表1 所示。

1)数据读取函数的编写如下：

void spi_init( void)

i

SPCR = 0x00 ； // diable spi

SPSR=0x00； 〃2X

SPCR = 0x52 ； //setup SPI

 

2)将SPI接口初始化完毕后，就可以通过对 SPI数据寄存器SPDR的操作，完成CS1160指令。 下面是读取CS1160数模转换结果的函数，使用的 是RDATA指令：

Unsigned int ReadData( void)

I

cs=o；〃片选

unsigned char i =0;

unsigned int data =0; 〃返回值变量

unsigned char tmp = 0;〃临时变量存放中间值 while(DRDY)；〃当DRDY为高时，不读取数据 SPDR=0x01；〃将命令写入SPI寄存器，同时开始 写到CS1160

while( ! ( SPSR&0x80))；〃等待发送完毕 tmp=SPSR；〃清除发送标志

tmp = SPDR； 〃丢弃该数据

SPDR=0x00；

while( ! ( SPSR & 0x80)); 〃继续输入读数脉冲 tmp = SPSR ；

tmp = SPDR ；〃丢弃该数据

SPDR =0x00；

while( ! ( SPSR & 0x80)); 〃继续输入读数脉冲 tmp 二 SPSR ；

data = SPDR ；

data = data < < 8 ； 〃读取高8位数据

SPDR = 0x00 ；〃高8位置于高位

while( ! ( SPSR & 0x80)); 〃继续输入读数脉冲 tmp = SPSR ；

data I = SPDR； 〃低8位置于低位

CS = 1；〃取消片选

return data; 〃返回结果

I

3)指令RREG和WREG与指令RDATA操作 方式类似：

Void WriteCommand(unsigned char Comm)

I

SPDR = Comm； 〃写入命令 while ( ! ( SPSR & 0x80))； tmp = SPSR ；

I

4结束语

通过使用CS1160集成芯片，配以ATmegal6L 高性能单片机，不仅简化了称重仪表的设计、降低 了产品成本、提高了可靠性，而且在实际生产应用 中效果良好。另外，在应用过程中，有些功能不能 够很好地满足现场的需求，比如，由于现场条件限 制，对传感器的标定方法还不够灵活、系统电源的 抗干扰能力较差等，需要进一步开发研究。

 

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