?

電子天平無線遙測子系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

李文寶，陳建政，鄧霏

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

摘要：設(shè)計一種基于射頻芯片nRF905為無線通信核心的電子天平無線遙測子系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，整個系統(tǒng)通過STM32微控制器來控制，由24位超低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1232來對稱重傳感器的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在微控制器內(nèi)進(jìn)行數(shù)字濾波等一系列處理，把所需要的數(shù)據(jù)通過SPI接口寫到nRF905的寄存器中并發(fā)射出去，接收部分接收數(shù)據(jù)，微控制器再通過SPI接口將nRF905寄存器中數(shù)據(jù)讀出，并通過UART發(fā)送到計算機(jī)用于顯示和分析，實現(xiàn)一臺計算機(jī)來同時操作多個稱重臺。

關(guān)鍵詞：電子天平；STM32微控制器；ADS1232模數(shù)轉(zhuǎn)換器；nRF905芯片；CN3702芯片

；收到修改稿日期：2012-11-27

0　引　言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子天平不斷完善，逐步形成取代機(jī)械天平之勢。電子天平采用了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和微型計算機(jī)技術(shù)，具有操作簡便、衡量速度快、自動化程度高、智能化功能強(qiáng)等機(jī)械天平無可比擬的優(yōu)越性[1]。

電子天平無線遙測系統(tǒng)是監(jiān)控和無線傳輸技術(shù)的結(jié)合，它可以將不同稱重臺的現(xiàn)場信息通過無線通信手段實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，在無線監(jiān)控系統(tǒng)中，無線監(jiān)控中心需要實時得到被控制點的稱重信息。這樣原本多人完成的工作量完全可以由一人來完成，提高了工作效率，同時無線監(jiān)控可以擺脫線攬的束縛，安裝周期短，利于維護(hù)，綜合成本低。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)遙測系統(tǒng)的電子測量部分，旨在使用一個無線終端來實時地監(jiān)測每個稱重臺的測量數(shù)據(jù)。具體的實現(xiàn)方法是：通過無線接收終端來發(fā)送命令給各個稱重臺的電子秤表頭（數(shù)據(jù)采集端），表頭以地址匹配的方式來識別數(shù)據(jù)接收終端命令，如匹配，則將測量的穩(wěn)定數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送到監(jiān)控中心，這樣監(jiān)控中心的操作人員可以通過計算機(jī)上的軟件來監(jiān)控各個稱重臺的實測數(shù)據(jù)，依此來決定對各個稱重臺的各項操作（調(diào)零、去皮等）。圖1是系統(tǒng)設(shè)計的整體示意圖。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1電子天平無線遙測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖1　系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端由稱重傳感器、放大電路、低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、充電管理模塊、數(shù)碼管顯示模塊、報警電路、按鍵管理模塊、無線收發(fā)模塊等組成。數(shù)據(jù)接收端主要由無線模塊和USB模塊組成，利用USB與PC機(jī)通信。其功能相當(dāng)于一個接入點，一方面將主機(jī)向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號以無線的方式發(fā)射出去，另一方面接收采集數(shù)據(jù)并上傳給計算機(jī)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

圖2　硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2.2高精度模數(shù)轉(zhuǎn)器ADS1232

為滿足系統(tǒng)的精度要求，系統(tǒng)選用高精度24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADS1232）。它集成了板上低噪聲可編程增益放大器（PGA），包含一個3階調(diào)制器和一個4階數(shù)字濾波器及內(nèi)部振蕩器，從而為包括稱重、應(yīng)變計與壓力傳感器等在內(nèi)的橋接傳感器應(yīng)用提供完整的前端解決方案[2]。其主要特點:

（1）具有完整的前端，不需要外置放大電路。

（2）高達(dá)23.5位的高數(shù)度分辨率。

（3）100 dB以上可同時抑制50 Hz與60 Hz的干擾。

（4）簡單的串行數(shù)字接口易與微控制器通信。

2.3電池管理模塊

數(shù)據(jù)采集端由兩節(jié)鋰電池供電，為了更好地應(yīng)用鋰電池，本系統(tǒng)采用專業(yè)的電池管理芯片CN3702，在恒壓充電模式，CN3702將電池電壓調(diào)制在8.4 V，精度為±1%；在恒流充電模式，充電電流通過一個外部電阻設(shè)置。對于深度放電的鋰電池，當(dāng)電池電壓低于5.6 V時，CN3702用所設(shè)置的恒流充電階段，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到外部電阻所設(shè)置的值時，充電結(jié)束。在充電結(jié)束狀態(tài)，如果電池電壓下降到8 V時，自動開始新的充電周期。當(dāng)輸入電源掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，CN3702自動進(jìn)入睡眠模式。電池管理模塊見圖3。

圖3　電池管理模塊

2.4射頻系統(tǒng)

射頻系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)發(fā)射端和數(shù)據(jù)接收端，主要是通過微控制器來控制射頻芯片發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

本次設(shè)計的微控制器選用了ST公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F100系列處理器,該芯片內(nèi)部集成了12位A/D轉(zhuǎn)換器、USART接口、SPI接口等，具有低功耗、少門數(shù)、短中斷延遲、低調(diào)試成本等眾多優(yōu)點[3]。

設(shè)計采用的無線模塊是挪威Nordic公司的射頻芯片nRF905,微控制器可通過SPI接口與nRF905通信，設(shè)置工作波段、頻率、頻道、發(fā)射功率、工作模式等參數(shù)，表1為工作模式設(shè)置[4-5]。

表1　nRF905的工作模式

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件由數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)接收端程序組成。數(shù)據(jù)接收端初始化程序主要包括對UART模塊、射頻模塊進(jìn)行初始化，主要接收數(shù)據(jù)采集端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到計算機(jī)，同時會識別計算機(jī)發(fā)送過來的命令，并發(fā)送到數(shù)據(jù)采集端，以便讓電子天平做出相應(yīng)的操作；接收端軟件流程如圖4所示[6]。數(shù)據(jù)采集端初始化程序主要包括對A/D轉(zhuǎn)換器、按鍵管理模塊、電池管理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、射頻系統(tǒng)模塊、外部存儲器進(jìn)行初始化。系統(tǒng)主要功能包括顯示單位轉(zhuǎn)換、調(diào)零、去皮、凈重/毛重的轉(zhuǎn)換、打印、電池電量檢測、無線發(fā)送和接收等功能；采集端軟件流程如圖5所示。

圖4　數(shù)據(jù)接收端程序流程圖

4　現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試使用應(yīng)變模擬器輸出的信號來模擬稱重傳感器的信號，通過數(shù)據(jù)采集端采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到接收端最終發(fā)送到計算機(jī)以達(dá)到無線遙測的目的?，F(xiàn)場測試所驗證的內(nèi)容主要包括：電子天平的相關(guān)操作、無線傳輸距離、電池電量檢測以及上位機(jī)監(jiān)控軟件[7]測試。測試步驟：首先對電子天平的表頭來進(jìn)行標(biāo)定，設(shè)定好相關(guān)參數(shù)并把相關(guān)的定標(biāo)參數(shù)及定標(biāo)數(shù)據(jù)保存到外部存儲器當(dāng)中，以防止數(shù)據(jù)丟失；其次電子天平正常測量，正常傳輸數(shù)據(jù)，測試常規(guī)操作（調(diào)零、去皮等）及無線傳輸距離；最后連同上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行整體測試，以測試電子天平的無線遙測系統(tǒng)的可用性。測試數(shù)據(jù)如下：調(diào)節(jié)應(yīng)變模擬器為526lb的數(shù)據(jù)，通過應(yīng)變采集器對其進(jìn)行采集，通過無線發(fā)送到接收終端，上位機(jī)監(jiān)測軟件數(shù)據(jù)顯示總重526lb，與輸入數(shù)據(jù)一致。

5　結(jié)束語

通過測試，電子天平標(biāo)定和常規(guī)操作均為正常，無線傳輸距離滿足設(shè)計需求，在節(jié)能模式下1000mAh雙節(jié)鋰電池可用15h，數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)接收端及上位機(jī)監(jiān)控軟件均可正常遠(yuǎn)行。本系統(tǒng)設(shè)計本著低成本、易實現(xiàn)、簡單易行、數(shù)據(jù)傳輸可靠、低功耗的原則來設(shè)計，通過現(xiàn)場測試驗證，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用起來將大大縮減人力成本。

圖5　數(shù)據(jù)采集端程序流程圖

參考文獻(xiàn)

[1] 唐輝，商洪濤，劉向兵.如何提高電子天平稱量的準(zhǔn)確性[J] .醫(yī)遼裝備，2006（5）：8-9.

[2] 姜伶斌，劉思頌，黨正強(qiáng).基于ADS1232的精度測試技術(shù)[J] .中國測試技術(shù)，2008，34（3)：138-144.

[3] 陳峰峰，胡毅，許艷. STM32F10x在應(yīng)用中編程的實現(xiàn)方法[J] .單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（9）：25-27.

[4] 陳敏，孟立凡，王華斌.基于NRF905的無線多點溫度測量系統(tǒng)[J] .電子測試，2011（4)：105-108.

[5] Liu G W，Mao L H. The wireless communication system based on NRF905[J] . Advances in Electrical Engineering and Automation，2012（139）：87-91.

[6] 李開元，王衛(wèi)東，應(yīng)俊.基于nRF905的心電無線遙測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J] .北京生物醫(yī)學(xué)工程，2007，26（6）：626-628.

[7] 楊亞東，趙世廉.圖形化虛擬儀器軟面板的設(shè)計[J] .電子技術(shù)，2000（11）：49-51.

Implementation of wireless telemetry subsystem for electronic balance

LI Wen-bao，CHEN Jian-zheng，DENG Fei

（Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract:This paper designs an implementation taking the RF chip nRF905 as wireless telemetry subsystem for elecronic balance. The controller of entire system is STM32 microcontrollers. The low-noise analog-to-digital converter ADS1232 converts the analog signal of the weighing sensor. The required data are writtern to the nRF905 register through the SPI interface and launch out after digital filtering. After the receiving terminal gains the data，the microcontrollers will send the data read out from nRF905 register through the UART to the computer for display and analysis. This can be operated simultaneously from one computer to multiple weighting units.

Key words:electronic balance；STM32；ADS1232；nRF905；CN3702

收稿日期：2012-09-11

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.027

文章編號：1674-5124（2013）05-0099-03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TP212.1；TH715.1+16；TP274+.2；TP391.45

作者簡介：李文寶（1985-），男，吉林榆樹市人，碩士研究生，專業(yè)方向為檢測技術(shù)與自動化裝置。