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1 概述
隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展 ,傳統(tǒng)的機(jī)械式稱重儀表正逐步被基于嵌入式技術(shù)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、易于安裝使用等特點(diǎn) ,被廣泛地用于各種計(jì)量、 定量稱重系統(tǒng)中 [1] 。目前稱重儀表重要的發(fā)展趨勢(shì)是采用模塊化設(shè)計(jì), 通過(guò)硬件或軟件的積木式組合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能需求。例如用戶提出的要求后, 只需在儀表機(jī)箱里選用不同的電路板組合或更改代碼儲(chǔ)存芯片。本文設(shè)計(jì)的儀表中模擬量采集與控制模塊主要負(fù)責(zé)稱重傳感器數(shù)據(jù)采集和邏輯控制, 其中A/D轉(zhuǎn)換芯片選用美國(guó)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(zhǎng)的真空熒光顯示屏, 且選用VFD專用控制/驅(qū)動(dòng)芯片CS16312, 該芯片集成了VFD顯示控制、 按鍵控制、 LED顯示控制等功能。VFD顯示模塊并采用單獨(dú)的微處理器, 使得顯示屏通用性很強(qiáng); Ethernet接口模塊采用通用型串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備ZNE-10T, 將儀表RS232網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到Internet網(wǎng)絡(luò)。電源模塊選用美國(guó)某公司的TOP224Y芯片設(shè)計(jì)單片集成電源電路, 具有效益高、 性能指標(biāo)高、 可實(shí)現(xiàn)多路輸出等優(yōu)點(diǎn)。儀表中各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立, 模塊之間通訊采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口, 方便根據(jù)需求組合, 例如儀表應(yīng)用場(chǎng)所沒(méi)有以太網(wǎng)接入口, 因?yàn)槭褂脴?biāo)準(zhǔn)的RS232接口, 儀表數(shù)據(jù)傳輸則可以選擇近距離直接與計(jì)算機(jī)的COM口連接或者遠(yuǎn)距離外加RS232轉(zhuǎn)RS485的模塊連接到其他的控制器上。同時(shí), 標(biāo)準(zhǔn)的接口也使得方便將儀表模塊用具有類似功能的產(chǎn)品替代, 如用戶打算使用觸摸屏顯示操作, 只需將帶有RS232接口觸摸屏代替現(xiàn)有的VFD顯示模塊即可。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
儀表分為五個(gè)部分模擬量采集與控制、 VFD(真空熒光顯示屏)顯示、 Ethernet接口、 IO擴(kuò)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(fā)展而來(lái)的顯示器件, 由發(fā)射電子的陰極 (直熱式, 統(tǒng)稱燈絲) 、 加速控制電子流的柵極、 玻璃基板上印上電極和熒光粉的陽(yáng)極及柵網(wǎng)和玻蓋構(gòu)成。在燈絲兩端加上規(guī)定的燈絲電壓, 使陰極溫度達(dá)到6000C左右而放射熱電子, 再將陽(yáng)極加上正電壓, 因柵極的作用而放射熱電子加速, 將會(huì)互相沖擊而激發(fā)熒光粉, 而使熒光粉發(fā)光 [4] 。
根據(jù)上面敘述, 再結(jié)合采集控制模塊、 Ethernet接口模塊供電, 將整個(gè)儀表需要的供電情況匯總?cè)缦卤恚?/span>
基于上述要求, 本儀表選用美國(guó)某公司TOPSwitch系列單片開(kāi)關(guān)電源芯片, 該系列芯片具有集成PWM控制器和MOS?FET 功率開(kāi)關(guān)管、 支持極寬的輸入交流電壓和頻率范圍、 外圍電路簡(jiǎn)單, 成本低廉, 芯片本身功耗低, 電源的總體效率可達(dá)80%等特點(diǎn) [2] 。
模擬量采集與控制板和VFD顯示板都需要+5V電壓供電, 且采集板上A/D轉(zhuǎn)換要求模擬量參考電壓要求較嚴(yán)格, 為了不相互影響, 分成兩路供電。根據(jù)兩塊板功率要求, 設(shè)計(jì)一路10V/0.4A電壓經(jīng)過(guò)LM340T5轉(zhuǎn)換給模擬量采集與控制板供電, VFD顯示板則采用12V/0.3A經(jīng)LM340T5轉(zhuǎn)換供電。輸入輸出板需要的+24V電壓則直接設(shè)計(jì)一路24V/0.3A。
根據(jù)VFD顯示供電要求, 首先設(shè)計(jì)一路-37V/0.3A電壓經(jīng)過(guò)LM317轉(zhuǎn)化成-30V, 作為CS16312EN的參考電壓, 再使用4.7V穩(wěn)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(chǔ)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(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證, 該VFD供電方案可行。
2.2 模擬量采集與控制模塊
模塊主要包含模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和MCU及其他外圍電路。
稱重儀表精度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率。A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇對(duì)決定儀表性能至關(guān)重要, 本文儀表選用某公司的CS5532ASZ轉(zhuǎn)換器, 該芯片是高集成度的ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 應(yīng)用了電荷平衡技術(shù), 其分辨率達(dá)到24位。芯片內(nèi)部有一個(gè)極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器, 最大增益高達(dá)64倍。該ADC非常適合測(cè)量稱重儀表、 過(guò)程控制、 科學(xué)和醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的單/雙極性小信號(hào) [3] 。
圖中稱重傳感器模擬信號(hào)接入ADIN+、 ADIN-, 經(jīng)過(guò)有電容電感組成的濾波網(wǎng)絡(luò)消除高頻干擾后送入通道1。模擬信號(hào)在CS5532中經(jīng)過(guò)放大、 模數(shù)轉(zhuǎn)換、 濾波, 最后數(shù)字信號(hào)從SDO輸出到MCU, 等待進(jìn)一步處理。MCU通過(guò)SDI線對(duì)CS5532進(jìn)行通道選擇、 前置放大器增益、 校正方式以及數(shù)據(jù)輸出頻率等設(shè)置。SDI和SDO是在時(shí)鐘信號(hào)SCLK的配合下進(jìn)行讀寫(xiě)操作, CS是片選信號(hào),低電平有效。CS5532與MCU的具體連接如圖3所示。模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一個(gè)精確穩(wěn)定的模擬量參考電壓, 本儀表選使用DC-DC器件ZY0505BD產(chǎn)生隔離5V電壓再采用基準(zhǔn)電壓芯片LM236-2.5等到精確穩(wěn)定的2.5V參考電壓。
本儀表的主控制器選用某公司MSP430F147, 該單片機(jī)具有超低功耗、 16位RISC結(jié)構(gòu)、 強(qiáng)大的處理能力、 系統(tǒng)工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。為使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行, 使用帶I2C串行CMOS E2PROM、 精密復(fù)位控制器和看門(mén)狗定時(shí)器的監(jiān)控芯片CAT1161, 且儀表掉電仍需保存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 CAT1161 自帶的 16K E2PROM 中。另外與 VFD 顯示模塊、 以太網(wǎng)接口模塊通信接口選用某公司的MAX202CSE。模塊中IO電路與IO擴(kuò)展電路原理一樣, 故在IO擴(kuò)展模塊中講述。
2.3 VFD顯示模塊
AT89C52與VFD專用控制芯片CS16312EN通信是使用了三根口線。P1.0與CS16312的DIN相連用于數(shù)據(jù)輸入。P1.1與DOUT相連用于數(shù)據(jù)輸出。P1.2與CLK相連, 產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號(hào)。P1.3與STB相連, 產(chǎn)生數(shù)據(jù)/命令識(shí)別信號(hào)。DOUT口是N溝道開(kāi)漏輸出, 故外接4.7K上拉電阻。CS16312芯片內(nèi)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(yáng)極(anode)P1—P13相連。動(dòng)態(tài)掃描顯示由CS16312內(nèi)建硬件電路自動(dòng)完成。GRID線循環(huán)輸出柵極掃描信號(hào), SEG線輸出取之內(nèi)部顯示RAM區(qū)與之對(duì)應(yīng)的顯示信號(hào) [4] 。
引腳KEY1~KEY4和SK1~SK6可以一起構(gòu)成4×6鍵盤(pán)掃描電路, 在顯示周期的末端掃描數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在鍵值數(shù)據(jù)RAM內(nèi), 24個(gè)按鍵使用3個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。本儀表數(shù)字鍵和功能鍵一共有20個(gè), 所以設(shè)計(jì)了4×5鍵盤(pán)掃描電路。CS16312的LED驅(qū)動(dòng)鎖存器的低4位對(duì)應(yīng)于LED0~LED3引腳, 每個(gè)引腳的最大驅(qū)動(dòng)能力為20mA。當(dāng)其值為0時(shí), LED燈亮; 值為1時(shí), 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(kāi)發(fā)的一款嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備, 它內(nèi)部集成了TCP/IP 協(xié)議棧, 用戶利用它可以輕松實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能 [5] 。ZNE-10T具有10M以太網(wǎng)接口, 最大115200bps的串口波特率, 多種工作方式(UDP、 TCPServer、TCPClient), 功耗小于200mW等特性。ZNE-10T使RS232或RS485網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到以太網(wǎng), 使得向以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)等同串口傳輸數(shù)據(jù)(配置好模塊的IP地址、 子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、 串口波特率等參數(shù))。選用ZNE-10T大大縮短了儀表開(kāi)發(fā)周期, 且設(shè)備價(jià)格不高。
J0是帶兩個(gè)LED燈的以太網(wǎng)RJ45接口, ZNE-10T設(shè)備中引腳LED_RXD和LED_TXD是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送接收指示燈輸出口, 所以將兩引腳連接在RJ45接口LED燈上用于指示發(fā)送接收狀態(tài)。圖中D1是水晶頭連接正常指示燈。ZNE-10T設(shè)備引腳TXD和RXD是串口信號(hào)接收發(fā)送口, 使用ZNE-10T時(shí), RXD、 TXD直接和MSP430的UTXD1、 URXD1相連。注意使用時(shí)要將模擬量采集與控制板上的跳線帽拔除, 使得UTXD1、 URXD1引腳不與MAX202相連, 以免串口通訊收到干擾。另外RST_H引腳用于ZNE-10T設(shè)備復(fù)位, 低電平有效, 直接與MSP430的P6.4引腳。
2.5 IO擴(kuò)展模塊
輸入輸出電路選用鎖存器74HC373, 該芯片具有三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)能力。因?yàn)镸SP430F147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(hào)LE由P6.1、 P6.2、 P6.3經(jīng)3-8譯碼器74HC138獲得。輸入輸出都采用光耦隔離, 增強(qiáng)抗干擾性。其中輸出電壓外接, 即輸出電壓可以根據(jù)需要連接, 最大耐壓為50V。
3 結(jié)束語(yǔ)
本儀表性能穩(wěn)定、 設(shè)計(jì)合理、 功能強(qiáng)大、 使用靈活,能廣泛應(yīng)用于各種稱重現(xiàn)場(chǎng),滿足不同用戶的需要, 應(yīng)用前景廣闊。其合理的硬件模塊化設(shè)計(jì)、 便捷的Internet網(wǎng)絡(luò)接入、 美觀的VFD人機(jī)界面設(shè)計(jì)體現(xiàn)了當(dāng)前電子稱重儀表的發(fā)展方向。
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