Matlab R2009環境下模擬稱重傳感器的數字化與性能測試*

周岳斌 劉桂雄 孫登林

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院 2.廣州電測儀器廠)

1 引言

稱重傳感器是應用最為廣泛的稱量器件之一，實際應用中迫切需要具有采集、處理和通信功能的數字稱重傳感器，其精度、性能的設計得到了廣泛關注。Makabe等針對稱重傳感器的蠕變誤差設計了精確的補償算法[1]；Liu C R等基于微波諧振腔的波動理論研制了一種微波動態稱重傳感器，獲得了出色的線性度、一致性和測量精度[2]；Piskorowski等設計了一種線性時變濾波器，為稱重傳感器響應的動態補償提供新的方法[3]；Abbas等基于MEMS結構設計了一種分辨率可達μN級的新型微量程稱重傳感器，并提出了一種可追蹤的傳感器校準方法[4]；Prabuwon采用SQL server和visual C++的軟件構架，為制造過程中的產品檢測設計了易于定制和集成的稱重傳感器系統[5]；Mohamed通過對稱重傳感器的蠕變行為與蠕變恢復行為進行比較分析，研究了不同蠕變參數、傳感器粘彈性常數與蠕變速度的關系[6]。

這些針對局部問題的研究為改進數字稱重傳感器的設計提供了思路，但涉及的傳感器結構和數據處理算法較復雜，測試條件有限的情況下，難以實現傳感器性能的快速測試。本文采用高精度數字化技術設計了一種結構簡單的數字稱重傳感器系統，不但可快速有效地測試傳感器性能，也可用于高速ADC的性能測試。

2 稱重傳感器的數字化

2.1 數字稱重傳感器系統結構

圖1是一種數字稱重傳感器的結構圖。傳感單元為平行梁式應變電橋，采用具有超低噪聲和漂移的高精度Σ-Δ型ADC和內嵌高速51內核的增強型單片機，對應變電橋的模擬輸出信號進行A/D轉換和必要的數據處理，完成模擬傳感器的數字化。ADC輸入信號通路包含一個可編程增益放大器，在直流到 4.8 kHz范圍具有超低噪聲和漂移；A/D轉換結果采用SPI串行數字接口輸出，CPU與上位機通信采用 RS485接口；保護電路用于保護通信芯片及CPU不受外界干擾的損壞；上位機中設計了Matlab R2009環境下的應用軟件，可完成數字稱重傳感器的測量、配置、校準、標定等功能。

圖1 數字稱重傳感器系統結構

2.2 高精度數字化技術

為獲取高精度的數字化信號，傳感器系統對串行數字接口選擇、數字信號處理方法、電路EMC設計等因素進行了優化設計和綜合考慮，同時還采用了以下關鍵技術：

⑴Σ-Δ模數轉換：ADC是數字化的核心器件，合理的模數轉換技術一定程度上影響著數字化的精確度。利用過采樣、噪聲整形和數字濾波技術Σ-Δ型ADC可濾除量化噪聲，降低對外圍元件精度要求，減少對復雜后處理的要求，精度可達24 bit 以上，轉換速率相對較低，適用于低頻或直流信號測量。

⑵比率測量：應變電橋的激勵電壓直接決定稱重傳感器的A/D轉換輸出精度。ADC的輸出與激勵源和參考源電壓都相關。比率測量方法是將ADC的基準電壓源與電橋的激勵電壓用同一電源芯片提供，使ADC轉換輸出與參考源和激勵源電壓中低頻噪聲的影響互相抵消，不會由于電橋激勵電壓的漂移損失測量精度。

⑶斬波輸入：斬波方式能夠消除調制器產生的量化噪聲，適于漂移、噪聲抑制和電磁干擾抑制要求較高的應用場合。通過在采樣時交替地改變輸入信號的極性，對相鄰兩次采樣值求平均，來消除失調電壓的影響。

⑷同步50Hz/60Hz抑制：在較低的數據輸出更新速率(<1kHz)下，數字稱重傳感器的 ADC可與 sinc3或sinc4數字濾波器配合使用，對50Hz/60Hz的工頻干擾同時進行抑制。

⑸校準與故障自檢：對于失調與增益校準，ADC提供了內部校準和系統校準兩種模式，可消除零點誤差、滿量程誤差對測量結果的影響；利用內置的溫度傳感器，可對寬溫度范圍工作時的數字稱重傳感器進行溫度補償；結合A/D轉換結果、寄存器狀態和參考電壓檢測器，還可檢測到模擬前端的開路、過載、短路以及參考電壓缺失等故障現象。

3 系統軟件設計

在Matlab R2009環境下，基于事件驅動的中斷通信機制，借助 Matlab強大的數值分析與處理功能、豐富的圖形界面、方便的編程接口，實現了數字稱重傳感器的數據分析處理、文件存儲、參數設置及圖形顯示等功能。

3.1 Matlab的GUI設計

Matlab定義了多種圖形對象，包括圖形窗口、坐標軸、直線、曲面、文字、圖像、菜單等各種控件。每創建一個對象就建立一個唯一的句柄，句柄是存取圖形對象的唯一識別，不同對象的句柄不能重復。各個圖形對象依據其所具有的屬性值來確定具體的顯示效果。

3.2 串口通信的實現

Matlab環境下讀取串口數據的方法有查詢和中斷兩種。查詢方式編程容易，但系統實時性不高，會極大地占用系統資源；中斷方式編程相對復雜一些，需要采用Matlab的事件和回調函數機制。Matlab提供instrcallback回調函數，用戶可設置具體串行通信事件。當串口有監視的事件發生，Matlab調用回調函數進行通信事件的處理。事件驅動的方法實質上是一種中斷機制，回調函數相當于中斷服務子程序。中斷發生后的通信事件處理以及通信數據的分析處理任務，需要用戶自行添加相應的服務程序代碼。

3.3 數據處理功能

為提高稱重傳感器的精度和抗干擾性能，軟件設計采用了多種數據處理方法來消除或減弱噪聲干擾的影響[7]?？紤]到單片機的運算能力和計算速度有限，存儲空間不夠大，為保證實時性要求，在單片機系統中只安排了數字濾波、零點跟蹤、漂移抑制、零點和滿量程校正等較簡單的數據處理功能，而標度變換、多點標定、溫度補償、誤差分析、數據統計、指標計算、性能測試等復雜的數字信號處理功能則設置在上位機中由Matlab編程實現。

4 性能測試與結果

4.1 ADC性能測試

ADC的性能決定了數字傳感器的好壞，其性能測試至關重要。常用的測試方法如FFT法、直方圖法和正弦擬合法都比較復雜，甚至需要昂貴的儀器設備，利用 Matlab軟件編程進行數字信號處理，可以方便快捷地對ADC性能實現數字化測試。

⑴有效位數(Effective Number of Bits, ENOB)ADC的實際分辨率可達到的位數稱為ADC的有效位數。ENOB是衡量ADC性能的一個最直觀的指標， 其計算方法如下：

若ADC轉換位數為K，則其滿刻度值用二進制表示為2K，如果對為測量值xi的平均值，N為測試值點數，則這N次測量的噪聲有效值RMS可用公式2計算，ENOB可用公式3計算。

當數據輸出速率、增益放大倍數等寄存器設置不同時，ADC處于不同的工作模式，圖2給出了不同模式下的ENOB測試結果。

圖2 ENOB測試

⑵信噪比(Signal-to-Noise, SNR) 在低于采樣頻率一半的條件下，SNR是基頻功率與不包括諧波和直流分量的噪聲功率的比值，單位為dB。SNR的兩種計算方法如下：

圖3是另一組不同模式下的SNR測試結果，可以看出，模式1下的SNR最高，均值達到118.72dB。

圖3 SNR測試

⑶積分線性度(Integral Nonlinearity, INL) INL是不考慮偏置誤差和增益誤差時，ADC實際轉換函數與理想轉換曲線的最大偏差。INL的測量可采用最優適應測量法或端點測量法確定理想轉換曲線。表1是一組ADC的INL測試數據，測量結果表明INL在±0.0018%FS范圍內，ADC的線性度較為理想。

表1 ADC的INL測試

4.2 傳感器性能測試

稱重傳感器的測試按國標GB/T7551-2008《稱重傳感器》的規定進行。該標準采用OIML R60國際建議中綜合稱重傳感器各種誤差的總誤差帶概念[8]。測試時，按照規定的測試程序加載和卸載負荷，Matlab程序會自動保存測量數據，并根據標準的定義計算非線性、重復性、滯后等指標，并畫出誤差曲線。

圖4為數字傳感器的測量誤差曲線，所用模擬傳感器靈敏度為1.981mV/V，量程為5kg，非線性誤差為 0.0084%F.S，重復性誤差為 0.0042%F.S，滯后誤差為0.0042% F.S。數字化后經過測試，綜合精度達到OIML C6等級，分辨率達到0.2uV/10mV，非線性為 0.0019%F.S，重復性為 0.0018%F.S，滯后為0.0007%F.S，抗干擾能力和精度指標明顯提高。

圖4 測量誤差曲線

5 結論

本文結合高精度數字化的一些關鍵技術，應用于模擬稱重傳感器的數字化設計中；信噪比、有效比特和積分線性度是ADC的關鍵技術指標，直接影響數字稱重傳感器的性能，這三項指標的測試具有重要意義；利用與PC機串口通信，采用Matlab編程實現數字稱重傳感器的數據采集、處理、通信與控制功能，傳感器的各項性能指標得到提高，滿足了實際要求，使用和操作也更加方便。

[1]MAKABE M, KOHASHI T. High accurate creep compensation method for load cell[C]. Society of Instrument and Control Engineers Annual Conference, New York: IEEE,2007: 29～36

[2]LIU C R, GUO L, etc. Weigh-in-Motion (WIM) sensor based on EM resonant measurements[C]. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, New York:IEEE, 2007: 537～540

[3]PISKOROWSKI J, BARCINSKI T. Dynamic compensation of load cell response: a time-varying approach[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2008, 22(7): 1694～1704

[4]ABBAS K, LESEMAN Z C, etc. A traceable calibration procedure for MEMS-based load cells[J]. International Journal of Mechanics and Materials in Design, 2008, 4(4): 383～389

[5]PRABUWONO A S, AKBAR H, etc. PC Based Weight Scale System with Load Cell for Product Inspection[C]. International Conference on Computer Engineering and Technology, Los Alamitos: IEEE COMPUTER SOC, 2009: 343～346

[6]MOHAMED M I, HASAN E H, etc. Study of creep behavior of load cells[J]. Measurement, 2009, 42(7): 1006～1010

[7]孫永, 黃曉因. 電阻應變式稱重傳感器噪聲信號的分離[J].計算機測量與控制, 2008, 16(2): 291～293

[8]中國國家標準化管理委員會. GB/T 7551-2008稱重傳感器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008