單芯片便攜電子秤重系統(tǒng)實現(xiàn)方案
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引言
傳統(tǒng)上，設(shè)計秤重、測力、轉(zhuǎn)矩及壓力測量系統(tǒng)時，廣泛采用全橋接電阻傳感器的方法。大多數(shù)橋接傳感器都要求較高的激勵電壓（通常為10
v），同時輸出較低的滿量程差動電壓，約為2 mv/v。傳感器的輸出通常由儀表放大器加以放大，經(jīng)過發(fā)大后的信號，再由高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器
(adc) 進行數(shù)字化，最后再用一個通用的mcu作進一步處理與顯示。通常情況下，adc并不集成在mcu中。這種方法雖然可以實現(xiàn)滿量程的adc輸入電壓，但橋接傳感器的激勵電壓高達10
v，功耗較大，而且使用的芯片數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。
現(xiàn)在，通過在msp430f42x芯片中集成帶有差動輸入的16位 - adc和增益高達32的可編程增益放大器(pga)，實現(xiàn)了單芯片秤重系統(tǒng)。整個系統(tǒng)只需用3 v電池供電，不但能效高，且成本低。此外系統(tǒng)還提供lcd驅(qū)動器及掉電保護功能。
硬件描述
msp430f42x系列是基于快速閃存的超低功耗微控制器，片上集成了三個16位 - adc(sd16)，這些adc還帶有pga，能夠?qū)魉蛠淼男盘柗糯笞罡?2倍。橋接傳感器可以直接連接到微控制器上，圖1給出了該系統(tǒng)的電路圖。
將全橋接傳感器負(fù)激勵信號連接至終端x1-1，正激勵信號連接至終端x1-4，由msp430的端口引腳p2.0與p2.1供電。這樣，在測量期間或在電子秤工作于待機狀態(tài)的情況下，就可以不用電橋激勵電壓，從而降低功耗。傳感器的電橋電阻為1
200 (典型值)，電源電壓為3 v，激勵狀態(tài)下耗電2.5 ma。將橋接傳感器的輸出信號連接至x1-2與x1-3，通過兩個低通濾波器之后輸入sd16的輸入通道a0。
當(dāng)最大負(fù)載為10 kg時，全橋接傳感器具有2 mv/v的額定滿量程差動輸出電壓。要使傳感器信號能夠?qū)崿F(xiàn)1 g的精度，總共需要1萬次計數(shù)，并顯示在lcd顯示屏上。如果橋接傳感器獲得3 v的激勵電壓，則滿量程輸出電壓為：3 v x 2 mv/v = 6 mv。也就是說，1 g的重量轉(zhuǎn)換為電壓形式可等效為：6 mv / 10 kg x 1g = 0.6 v。為了實現(xiàn)1 g的測量精度，所用adc的lsb電壓應(yīng)比上述小四倍，即 0.6 v / 4 = 0.15 v。
sd16可用內(nèi)置的1.2 v參考電壓工作，也可用外部連接的參考電壓工作。圖1中給出的是用外部電阻分壓器來提供參考電壓。由于橋接傳感器由相同電壓的電源供電，這樣做的好處是能夠?qū)崿F(xiàn)獨立于激勵電壓（vcc）的比例輸出原則。如果橋接傳感器由vcc供電而sd16模塊采用內(nèi)部參考電壓，那么測量結(jié)果就會隨vcc在電池使用壽命中的變動而發(fā)生差異。當(dāng)電源電壓為3v時，使用圖1中所示的外部電阻分壓器得到的參考電壓為：
r9與r10的分壓比(divider ratio)r9/r10的選擇使生成的參考電壓保持在容許的vref范圍內(nèi)，這時vcc從3 v下降至2.7
v。sd16 模塊的最小電源電壓為2.7 v。其詳細電壓范圍及其他參數(shù)，可參考msp430f42x數(shù)據(jù)表(slas421)。sd16的參考電壓決定著滿量程差分輸入電壓，即vref/2。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器為雙極，因此adc的lsb電壓為：
該lsb值經(jīng)過最大增益為32的pga后，電壓值可降至0.605 v。但該值比設(shè)計目標(biāo)值0.15 v仍然高出大約四倍，為此還需要將該值進一步放大。為了不添加外部組件，可以采用更多的
sd16輸出位。sd16模塊內(nèi)部數(shù)字抽取濾波器能夠提供總共24位的訪問。可將數(shù)字濾波器輸出的額外兩位添加給16位轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將18位輸出信號進行低通過濾（如進行多結(jié)果平均），這樣adc的lsb電壓就可降至0.151
v。
msp430f427的片上lcd驅(qū)動器可直接采用接口與一般的 lcd 模塊連接。在本應(yīng)用中采用了 softbaugh公司的4-mu
7.1數(shù)碼lcd—sblcda4。電阻器r5、r7與r8提供了lcd驅(qū)動器模塊所用的電壓階梯。采用32 khz的晶振作為系統(tǒng)時鐘參考，用于驅(qū)動lcd并在應(yīng)用工作過程中周期性地從低功耗模式喚醒。此外，系統(tǒng)還為電子秤操作提供了連接至p1.0的按鈕(sw1)。
軟件描述
msp430f427 單芯片秤重軟件有c語言(f42x_weigh_ scale.c)與匯編語言(f42x_weigh_scale.s43)兩種版本。兩種源代碼功能相同，但匯編語言版本更小。上電復(fù)位時，msp430首先進行外設(shè)初始化，包括禁用看門狗定時器，配置lfxt1振蕩器負(fù)載電容用于外部晶振，初始化lcd控制器、基本定時器及sd16轉(zhuǎn)換器模塊。sd16的0通道經(jīng)過配置，采用雙輸入通道(channel
pair)a0，并用sd16模塊內(nèi)部pga放大信號達32倍增益。轉(zhuǎn)換器由smclk計時，頻率為1 048 567 hz，并啟用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。關(guān)于sd16操作的詳細信息可參考msp430x4xx系列用戶指南(slau056)。圖2為軟件主流程圖。
在源代碼中，將兩個32位字calmin與calmax分配到msp430閃存段a以便保存校驗數(shù)據(jù)。上電后，軟件檢查上述常量是否具備有效值。如果兩個位置都包含相同的值（如設(shè)備編程后的 0xffffffff），校驗?zāi)Ｊ絼t被激活，否則進入測量模式。變量programmode用于跟蹤當(dāng)前程序狀態(tài)（測量模式、校驗?zāi)Ｊ?、斷電模式）并作出相?yīng)設(shè)置。
隨后，msp430進入低功耗模式lpm0，啟用中斷。lpm0作為smclk驅(qū)動sd16，在應(yīng)用有效運行且采集adc數(shù)據(jù)時不得關(guān)閉。此后，整個程序流程由中斷驅(qū)動，共啟用三個中斷源?；居嫊r器isr每0.5秒執(zhí)行一次，主要用于觸發(fā)測量進程的啟動（見圖3），端口1
isr用于處理按鈕事件，每次 a/d 轉(zhuǎn)換后，調(diào)用sd16 isr來處理結(jié)果（見圖4）。
在校驗?zāi)Ｊ街锌色@得兩個數(shù)據(jù)點。變量calmin用于存儲a/d結(jié)果，其顯示值等于0 g，而calmax存儲的a/d結(jié)果顯示值為10
000 g。cal lo或cal hi顯示出的數(shù)據(jù)用來說明哪個校驗數(shù)據(jù)點正被處理。按下按鈕sw1后，當(dāng)前sd16的轉(zhuǎn)換結(jié)果被讀取并存儲到臨時變量中。校驗結(jié)束后，系統(tǒng)內(nèi)的自動編程將這兩個數(shù)據(jù)點編入infoa快閃信息存儲器段，這時軟件進入測量模式。
至此，sd16轉(zhuǎn)換進程每0.5秒啟動一次，由基本定時器isr定時。轉(zhuǎn)換中，橋接傳感器上電，dco 啟用。這時msp430在lpm0模式下運行。為了實現(xiàn)所需的精度，軟件采用低通濾波器，采集多個18位a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果，并進行累加。每次轉(zhuǎn)換后，sd16 isr按照sd16采樣率(4 khz)執(zhí)行。在采集實際數(shù)據(jù)前，反變量voltagesettlectr逐漸減小為0，這就使電壓能在橋接傳感器上電后12毫秒內(nèi)達到穩(wěn)定。sd16 isr采集了256個結(jié)果之后，用累加和除以256，得到最后的18位結(jié)果。上述過程也可形容為采樣數(shù)據(jù)由256到1的抽選。包括電壓穩(wěn)定時間在內(nèi)，sd16模塊每0.5秒鐘運行約75毫秒。
隨后，將該18位的計算結(jié)果與此前的值進行比較。僅當(dāng)值變化時才計算新的顯示值并更新顯示。這就能夠避免不必要的32位整數(shù)乘法及除法。
為了將 a/d的測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為實際的物理重量值，系統(tǒng)使用了兩點校驗機制。顯示值根據(jù)以下公式計算：
從calmax到calmin的范圍反映到從0到cal_min_max_span的范圍。cal_min_max_span 默認(rèn)設(shè)置為10 000，等于橋接傳感器的最大機械負(fù)載10 kg。需注意：由于施加給sd16模塊的差動信號的緣故，18位a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果是帶符號的，整個程序中都使用帶符號的代數(shù)算法。這樣，也可顯示出負(fù)的重量值。測量結(jié)束之后，sd16模塊禁用，dco在退出時進入lpm3關(guān)閉模式，而橋接傳感器則斷電以降低電流消耗。
只要按下按鈕sw1會立即使轉(zhuǎn)換失效，關(guān)閉lcd顯示屏并進入lpm3模式。在這種模式下，應(yīng)用電路吸收的電流不到1 a，而32 khz的振蕩器仍然運行。如果需要的話，也可進入lpm4模式來進一步降低電流消耗。再次按下按鈕sw1，應(yīng)用便恢復(fù)正常的工作。在這種模式下，sd16模塊每0.5秒鐘約運行75毫秒，得出新的計算結(jié)果后，顯示屏也隨之更新。在此期間，msp430消耗的電流約1 ma。橋接傳感器的激勵及參考電壓的生成在此期間還需要3 ma的額外電流。在測量間隙內(nèi)，msp430消耗電流約3 a，其中包括了lcd驅(qū)動器用于顯示計算結(jié)果的電流。因此，總的平均應(yīng)用電流消耗量在正常工作期間為600 a。若想在任何時間內(nèi)重新進入校驗?zāi)Ｊ?，只需按下按鈕sw1至少5秒鐘即可實現(xiàn)。
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