Matlab R2009环境下模拟称重传感器的数字化与性能测试*

周岳斌 刘桂雄 孙登林

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院 2.广州电测仪器厂)

1 引言

称重传感器是应用最为广泛的称量器件之一，实际应用中迫切需要具有采集、处理和通信功能的数字称重传感器，其精度、性能的设计得到了广泛关注。Makabe等针对称重传感器的蠕变误差设计了精确的补偿算法[1]；Liu C R等基于微波谐振腔的波动理论研制了一种微波动态称重传感器，获得了出色的线性度、一致性和测量精度[2]；Piskorowski等设计了一种线性时变滤波器，为称重传感器响应的动态补偿提供新的方法[3]；Abbas等基于MEMS结构设计了一种分辨率可达μN级的新型微量程称重传感器，并提出了一种可追踪的传感器校准方法[4]；Prabuwon采用SQL server和visual C++的软件构架，为制造过程中的产品检测设计了易于定制和集成的称重传感器系统[5]；Mohamed通过对称重传感器的蠕变行为与蠕变恢复行为进行比较分析，研究了不同蠕变参数、传感器粘弹性常数与蠕变速度的关系[6]。

这些针对局部问题的研究为改进数字称重传感器的设计提供了思路，但涉及的传感器结构和数据处理算法较复杂，测试条件有限的情况下，难以实现传感器性能的快速测试。本文采用高精度数字化技术设计了一种结构简单的数字称重传感器系统，不但可快速有效地测试传感器性能，也可用于高速ADC的性能测试。

2 称重传感器的数字化

2.1 数字称重传感器系统结构

图1是一种数字称重传感器的结构图。传感单元为平行梁式应变电桥，采用具有超低噪声和漂移的高精度Σ-Δ型ADC和内嵌高速51内核的增强型单片机，对应变电桥的模拟输出信号进行A/D转换和必要的数据处理，完成模拟传感器的数字化。ADC输入信号通路包含一个可编程增益放大器，在直流到 4.8 kHz范围具有超低噪声和漂移；A/D转换结果采用SPI串行数字接口输出，CPU与上位机通信采用 RS485接口；保护电路用于保护通信芯片及CPU不受外界干扰的损坏；上位机中设计了Matlab R2009环境下的应用软件，可完成数字称重传感器的测量、配置、校准、标定等功能。

图1 数字称重传感器系统结构

2.2 高精度数字化技术

为获取高精度的数字化信号，传感器系统对串行数字接口选择、数字信号处理方法、电路EMC设计等因素进行了优化设计和综合考虑，同时还采用了以下关键技术：

⑴Σ-Δ模数转换：ADC是数字化的核心器件，合理的模数转换技术一定程度上影响着数字化的精确度。利用过采样、噪声整形和数字滤波技术Σ-Δ型ADC可滤除量化噪声，降低对外围元件精度要求，减少对复杂后处理的要求，精度可达24 bit 以上，转换速率相对较低，适用于低频或直流信号测量。

⑵比率测量：应变电桥的激励电压直接决定称重传感器的A/D转换输出精度。ADC的输出与激励源和参考源电压都相关。比率测量方法是将ADC的基准电压源与电桥的激励电压用同一电源芯片提供，使ADC转换输出与参考源和激励源电压中低频噪声的影响互相抵消，不会由于电桥激励电压的漂移损失测量精度。

⑶斩波输入：斩波方式能够消除调制器产生的量化噪声，适于漂移、噪声抑制和电磁干扰抑制要求较高的应用场合。通过在采样时交替地改变输入信号的极性，对相邻两次采样值求平均，来消除失调电压的影响。

⑷同步50Hz/60Hz抑制：在较低的数据输出更新速率(<1kHz)下，数字称重传感器的 ADC可与 sinc3或sinc4数字滤波器配合使用，对50Hz/60Hz的工频干扰同时进行抑制。

⑸校准与故障自检：对于失调与增益校准，ADC提供了内部校准和系统校准两种模式，可消除零点误差、满量程误差对测量结果的影响；利用内置的温度传感器，可对宽温度范围工作时的数字称重传感器进行温度补偿；结合A/D转换结果、寄存器状态和参考电压检测器，还可检测到模拟前端的开路、过载、短路以及参考电压缺失等故障现象。

3 系统软件设计

在Matlab R2009环境下，基于事件驱动的中断通信机制，借助 Matlab强大的数值分析与处理功能、丰富的图形界面、方便的编程接口，实现了数字称重传感器的数据分析处理、文件存储、参数设置及图形显示等功能。

3.1 Matlab的GUI设计

Matlab定义了多种图形对象，包括图形窗口、坐标轴、直线、曲面、文字、图像、菜单等各种控件。每创建一个对象就建立一个唯一的句柄，句柄是存取图形对象的唯一识别，不同对象的句柄不能重复。各个图形对象依据其所具有的属性值来确定具体的显示效果。

3.2 串口通信的实现

Matlab环境下读取串口数据的方法有查询和中断两种。查询方式编程容易，但系统实时性不高，会极大地占用系统资源；中断方式编程相对复杂一些，需要采用Matlab的事件和回调函数机制。Matlab提供instrcallback回调函数，用户可设置具体串行通信事件。当串口有监视的事件发生，Matlab调用回调函数进行通信事件的处理。事件驱动的方法实质上是一种中断机制，回调函数相当于中断服务子程序。中断发生后的通信事件处理以及通信数据的分析处理任务，需要用户自行添加相应的服务程序代码。

3.3 数据处理功能

为提高称重传感器的精度和抗干扰性能，软件设计采用了多种数据处理方法来消除或减弱噪声干扰的影响[7]。考虑到单片机的运算能力和计算速度有限，存储空间不够大，为保证实时性要求，在单片机系统中只安排了数字滤波、零点跟踪、漂移抑制、零点和满量程校正等较简单的数据处理功能，而标度变换、多点标定、温度补偿、误差分析、数据统计、指标计算、性能测试等复杂的数字信号处理功能则设置在上位机中由Matlab编程实现。

4 性能测试与结果

4.1 ADC性能测试

ADC的性能决定了数字传感器的好坏，其性能测试至关重要。常用的测试方法如FFT法、直方图法和正弦拟合法都比较复杂，甚至需要昂贵的仪器设备，利用 Matlab软件编程进行数字信号处理，可以方便快捷地对ADC性能实现数字化测试。

⑴有效位数(Effective Number of Bits, ENOB)ADC的实际分辨率可达到的位数称为ADC的有效位数。ENOB是衡量ADC性能的一个最直观的指标， 其计算方法如下：

若ADC转换位数为K，则其满刻度值用二进制表示为2K，如果对为测量值xi的平均值，N为测试值点数，则这N次测量的噪声有效值RMS可用公式2计算，ENOB可用公式3计算。

当数据输出速率、增益放大倍数等寄存器设置不同时，ADC处于不同的工作模式，图2给出了不同模式下的ENOB测试结果。

图2 ENOB测试

⑵信噪比(Signal-to-Noise, SNR) 在低于采样频率一半的条件下，SNR是基频功率与不包括谐波和直流分量的噪声功率的比值，单位为dB。SNR的两种计算方法如下：

图3是另一组不同模式下的SNR测试结果，可以看出，模式1下的SNR最高，均值达到118.72dB。

图3 SNR测试

⑶积分线性度(Integral Nonlinearity, INL) INL是不考虑偏置误差和增益误差时，ADC实际转换函数与理想转换曲线的最大偏差。INL的测量可采用最优适应测量法或端点测量法确定理想转换曲线。表1是一组ADC的INL测试数据，测量结果表明INL在±0.0018%FS范围内，ADC的线性度较为理想。

表1 ADC的INL测试

4.2 传感器性能测试

称重传感器的测试按国标GB/T7551-2008《称重传感器》的规定进行。该标准采用OIML R60国际建议中综合称重传感器各种误差的总误差带概念[8]。测试时，按照规定的测试程序加载和卸载负荷，Matlab程序会自动保存测量数据，并根据标准的定义计算非线性、重复性、滞后等指标，并画出误差曲线。

图4为数字传感器的测量误差曲线，所用模拟传感器灵敏度为1.981mV/V，量程为5kg，非线性误差为 0.0084%F.S，重复性误差为 0.0042%F.S，滞后误差为0.0042% F.S。数字化后经过测试，综合精度达到OIML C6等级，分辨率达到0.2uV/10mV，非线性为 0.0019%F.S，重复性为 0.0018%F.S，滞后为0.0007%F.S，抗干扰能力和精度指标明显提高。

图4 测量误差曲线

5 结论

本文结合高精度数字化的一些关键技术，应用于模拟称重传感器的数字化设计中；信噪比、有效比特和积分线性度是ADC的关键技术指标，直接影响数字称重传感器的性能，这三项指标的测试具有重要意义；利用与PC机串口通信，采用Matlab编程实现数字称重传感器的数据采集、处理、通信与控制功能，传感器的各项性能指标得到提高，满足了实际要求，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]孙永, 黄晓因. 电阻应变式称重传感器噪声信号的分离[J].计算机测量与控制, 2008, 16(2): 291～293

[8]中国国家标准化管理委员会. GB/T 7551-2008称重传感器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008