电子天平无线遥测子系统的研究与实现



电子天平无线遥测子系统的研究与实现

李文宝，陈建政，邓霏

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031）

摘要：设计一种基于射频芯片nRF905为无线通信核心的电子天平无线遥测子系统的实现方案，整个系统通过STM32微控制器来控制，由24位超低噪声的模数转换器ADS1232来对称重传感器的模拟信号进行转换，在微控制器内进行数字滤波等一系列处理，把所需要的数据通过SPI接口写到nRF905的寄存器中并发射出去，接收部分接收数据，微控制器再通过SPI接口将nRF905寄存器中数据读出，并通过UART发送到计算机用于显示和分析，实现一台计算机来同时操作多个称重台。

关键词：电子天平；STM32微控制器；ADS1232模数转换器；nRF905芯片；CN3702芯片

；收到修改稿日期：2012-11-27

0　引　言

随着现代电子技术的迅速发展，电子天平不断完善，逐步形成取代机械天平之势。电子天平采用了现代传感器技术、电子技术和微型计算机技术，具有操作简便、衡量速度快、自动化程度高、智能化功能强等机械天平无可比拟的优越性[1]。

电子天平无线遥测系统是监控和无线传输技术的结合，它可以将不同称重台的现场信息通过无线通信手段实时传输到监控中心，在无线监控系统中，无线监控中心需要实时得到被控制点的称重信息。这样原本多人完成的工作量完全可以由一人来完成，提高了工作效率，同时无线监控可以摆脱线揽的束缚，安装周期短，利于维护，综合成本低。

1　系统整体设计

本系统主要实现遥测系统的电子测量部分，旨在使用一个无线终端来实时地监测每个称重台的测量数据。具体的实现方法是：通过无线接收终端来发送命令给各个称重台的电子秤表头（数据采集端），表头以地址匹配的方式来识别数据接收终端命令，如匹配，则将测量的稳定数据通过无线的方式发送到监控中心，这样监控中心的操作人员可以通过计算机上的软件来监控各个称重台的实测数据，依此来决定对各个称重台的各项操作（调零、去皮等）。图1是系统设计的整体示意图。

2　系统硬件设计

2.1电子天平无线遥测系统硬件结构

图1　系统整体设计

系统主要由数据采集端和数据接收端构成。数据采集端由称重传感器、放大电路、低通滤波器、模数转换器、充电管理模块、数码管显示模块、报警电路、按键管理模块、无线收发模块等组成。数据接收端主要由无线模块和USB模块组成，利用USB与PC机通信。其功能相当于一个接入点，一方面将主机向数据采集端发送的控制信号以无线的方式发射出去，另一方面接收采集数据并上传给计算机。系统硬件结构框如图2所示。

图2　硬件电路结构图

2.2高精度模数转器ADS1232

为满足系统的精度要求，系统选用高精度24位模数转换器（ADS1232）。它集成了板上低噪声可编程增益放大器（PGA），包含一个3阶调制器和一个4阶数字滤波器及内部振荡器，从而为包括称重、应变计与压力传感器等在内的桥接传感器应用提供完整的前端解决方案[2]。其主要特点:

（1）具有完整的前端，不需要外置放大电路。

（2）高达23.5位的高数度分辨率。

（3）100 dB以上可同时抑制50 Hz与60 Hz的干扰。

（4）简单的串行数字接口易与微控制器通信。

2.3电池管理模块

数据采集端由两节锂电池供电，为了更好地应用锂电池，本系统采用专业的电池管理芯片CN3702，在恒压充电模式，CN3702将电池电压调制在8.4 V，精度为±1%；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。对于深度放电的锂电池，当电池电压低于5.6 V时，CN3702用所设置的恒流充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到外部电阻所设置的值时，充电结束。在充电结束状态，如果电池电压下降到8 V时，自动开始新的充电周期。当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时，CN3702自动进入睡眠模式。电池管理模块见图3。

图3　电池管理模块

2.4射频系统

射频系统包括数据发射端和数据接收端，主要是通过微控制器来控制射频芯片发送和接收数据。

本次设计的微控制器选用了ST公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的STM32F100系列处理器,该芯片内部集成了12位A/D转换器、USART接口、SPI接口等，具有低功耗、少门数、短中断延迟、低调试成本等众多优点[3]。

设计采用的无线模块是挪威Nordic公司的射频芯片nRF905,微控制器可通过SPI接口与nRF905通信，设置工作波段、频率、频道、发射功率、工作模式等参数，表1为工作模式设置[4-5]。

表1　nRF905的工作模式

3　系统软件设计

系统的软件由数据采集端、数据接收端程序组成。数据接收端初始化程序主要包括对UART模块、射频模块进行初始化，主要接收数据采集端发送过来的数据，并发送到计算机，同时会识别计算机发送过来的命令，并发送到数据采集端，以便让电子天平做出相应的操作；接收端软件流程如图4所示[6]。数据采集端初始化程序主要包括对A/D转换器、按键管理模块、电池管理模块、数据显示模块、射频系统模块、外部存储器进行初始化。系统主要功能包括显示单位转换、调零、去皮、净重/毛重的转换、打印、电池电量检测、无线发送和接收等功能；采集端软件流程如图5所示。

图4　数据接收端程序流程图

4　现场测试

现场测试使用应变模拟器输出的信号来模拟称重传感器的信号，通过数据采集端采集数据并发送到接收端最终发送到计算机以达到无线遥测的目的。现场测试所验证的内容主要包括：电子天平的相关操作、无线传输距离、电池电量检测以及上位机监控软件[7]测试。测试步骤：首先对电子天平的表头来进行标定，设定好相关参数并把相关的定标参数及定标数据保存到外部存储器当中，以防止数据丢失；其次电子天平正常测量，正常传输数据，测试常规操作（调零、去皮等）及无线传输距离；最后连同上位机监控软件进行整体测试，以测试电子天平的无线遥测系统的可用性。测试数据如下：调节应变模拟器为526lb的数据，通过应变采集器对其进行采集，通过无线发送到接收终端，上位机监测软件数据显示总重526lb，与输入数据一致。

5　结束语

通过测试，电子天平标定和常规操作均为正常，无线传输距离满足设计需求，在节能模式下1000mAh双节锂电池可用15h，数据采集端、数据接收端及上位机监控软件均可正常远行。本系统设计本着低成本、易实现、简单易行、数据传输可靠、低功耗的原则来设计，通过现场测试验证，测量数据稳定，抗干扰能力强，应用起来将大大缩减人力成本。

图5　数据采集端程序流程图

参考文献

[1] 唐辉，商洪涛，刘向兵.如何提高电子天平称量的准确性[J] .医辽装备，2006（5）：8-9.

[2] 姜伶斌，刘思颂，党正强.基于ADS1232的精度测试技术[J] .中国测试技术，2008，34（3)：138-144.

[3] 陈峰峰，胡毅，许艳. STM32F10x在应用中编程的实现方法[J] .单片机与嵌入式系统应用，2009（9）：25-27.

[4] 陈敏，孟立凡，王华斌.基于NRF905的无线多点温度测量系统[J] .电子测试，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] 李开元，王卫东，应俊.基于nRF905的心电无线遥测系统的研究与实现[J] .北京生物医学工程，2007，26（6）：626-628.

[7] 杨亚东，赵世廉.图形化虚拟仪器软面板的设计[J] .电子技术，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

文章编号：1674-5124（2013）05-0099-03

文献标志码：A

中图分类号：TP212.1；TH715.1+16；TP274+.2；TP391.45

作者简介：李文宝（1985-），男，吉林榆树市人，硕士研究生，专业方向为检测技术与自动化装置。