多通道高精度智能仪表的研究

（福建省计量科学研究院，福州 350003）

基于国家重大科学仪器设备开发专项《高精度衡器载荷测量仪开发和应用》项目研制的需要，研制的衡器载荷测量仪是以多台高准确度传感器作为载荷测量标准，以高精度仪表采集的载荷值作为控制系统的反馈信号，采用高精密液压机构，借助反力装置，对电子汽车衡施加标准载荷，实现对电子汽车衡检定。该系统中的测量仪表，作为测量反馈信号的部件，其准确度、稳定性及不同通道间的同步性直接影响测量结果的准确性，从而影响控制系统的稳定性及整套测量仪系统的准确度，因此，本文提出多通道高精度智能仪表的设计。

1 系统整体设计

多通道智能仪表整体设计框图如图1所示，系统以STC89C58RD+为主控CPU，由12通道同步数据采集模块、二级放大电路模块、A/D转换模块、SD卡存储模块、液晶显示模块、电源模块以及PC上位机组成。

主控CPU采用新一代具有超强抗干扰、高速、低功耗的STC89C58RD+微控芯片。采集模块采用同步采样滤波技术，对12通道进行独立同步采集，包含12路高速力值信号采集通道、12路温度采集通道。A/D转换模块采用带有自校正功能的16位A/D转换器，包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路、调制器以及可编程数字滤波器等。电源模块采用经整流、滤波、稳压电路后进行差分供电（±5 V），克服电源零点漂移。液晶显示模块自带触摸屏功能，可进行数据储存的选择，即根据需要选择储存的数据，并通过SD卡存储，方便以后的数据处理。此外，采集到的力值数据和温度数据通过RS232总线传送给PC上位机，在上位机中进行数据显示，并进行必要的软件温度补偿。

2 关键技术

2.1 主控CPU选型

采用的STC89C58RD+微控芯片，是新一代具有超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，具有32 KB在系统可编程Flash存储器，最高运作频率35MHz，6T/12T可选。在单芯片上具有以下标准功能，32 KB Flash，1280 B RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置8 KB E2PROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统的51单片机5向量2级中断结构），全双工串行口。STC89C58RD+内部结构如图2所示。

2.2 前端采集电路及AD7705

前端采集放大电路和AD7705电路设计如图3、图4所示。采集的传感器桥路电压信号首先进入滤波电路去除干扰杂波后再进行精密放大，这里采用低功耗运算放大器TL081，TL081具有高转换率、低输入偏置和失调电流、低失调电压温度系数、偏移调整和外部补偿选项等特点，而且其宽共模和差电压范围非常适用于A/D转换器的驱动放大电路。

图1 系统框图Fig.1 System structure

图2 STC89C58RD+内部结构Fig.2 Internal structure of STC89C58RD+

AD7705芯片是带有自校正功能的16位A/D转换器[1-2]，能直接将传感器不同摆幅范围内的信号放大到接近A/D转换器的满标度电压附近再进行A/D转换，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式，此外还具有高分辨率、宽动态范围、校准、低功耗及优良的抗噪声性能[3]。它采用了成本较低但能获得极高分辨率的Σ-Δ转换技术，可获得16位无误码数据输出，非常符合对分辨率要求较高但对转换数字要求不高的应用。

图3 运算放大电路Fig.3 Operational-amplified circuit

图4 AD7705 A/D转换电路Fig.4 AD7705 A/D switching circuit

2.3多通道同步采样技术

由于高精度仪表基准参考电源需要高精度电源，但是一般电源很难做到而且价格相当昂贵，传统的标准电池基准电源虽噪声低、电动势稳定、制造方便、价格便宜，但因长期稳定性差、有温度特性的滞后效应，且不能满载使用，只适用于短期稳定性的精密电源中；温度补偿基准稳压管基准电源存在噪声大、负荷能力弱、稳定性差以及基准电压较高、可调性较差等缺点；而对于集成电路固体基准电压源，虽然在稳定性、低噪声等功能上有了较大的突破，但也难以满足本项目高精度的需求。本文采用同步采集技术，将供桥电源和基准电源同步采集，这样采集比值不会随着电源波动而变化。使用同步技术使得采样比值E不会随着干扰源的变化而变化。

式中：E为采集比值；Vp为供桥电源电压；VRef为基准电源电压；α为供桥电源电压波动系数；β为基准电源电压波动系数。

同时在普通的多通道仪表中，采用轮询方式对每一个通道按时间先后进行顺序采集，而且随着通道数增加，采集速度变慢，为了适应高精度控制以及多传感器同步，本文采用每个通道单独同步采集技术，不受通道数的影响，可以自由增加通道数，适合多传感器同步采集控制设备。

2.4 模拟信号数字信号差压技术

在高精度测量电路中，为了获取高精度、高稳定采集信号，模拟信号地和数字信号地要进行隔离。由于数字信号一般为矩形波，带有大量的谐波。如果电路板中的数字地与模拟地没有从接入点分开，数字信号中的谐波很容易干扰到模拟信号的波形。当模拟信号为高频或强电信号时，也会影响数字电路的正常工作。模拟电路涉及弱小信号，但是数字电路门限电平较高，对电源的要求就比模拟电路低。既有数字电路又有模拟电路的系统中，数字电路产生的噪声会影响模拟电路，使模拟电路的小信号指标变差，克服的办法是分开模拟地和数字地。该问题存在的最根本的原因是无法保证电路板上铜箔的电阻为零，在接入点将数字地和模拟地分开，就是为了将数字地和模拟地的共地电阻降到最小。

常用的做法是在模拟信号地和数字信号地之间串联0 Ω电阻或串联磁珠，具有比较好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果。但是高准确度的测量电路中，如一个测力传感器的灵敏度为2.00000 mV/V，对仪表的分辨率要求为20万分之一，就是0.01 μV，而一般数字信号高电平信号为3.3 V，高电平信号谐波峰峰值要远大于1 mV，因此如果对于准确度等级为0.1%的系统里，这干扰信号表现不出来，但是在0.01%甚至0.001%或以上的高准确度系统中，这谐波的干扰就远远超出了允差上限值。本文采用在模拟地和数字地之间通过稳压电路建立一个精密稳定的压差，使得噪声小于这个压差值的干扰源都被过滤掉。

2.5 长线电感抑制技术

因在实际的衡器载荷测量仪检定现场，载荷测量仪的标准传感器的引线长度一般大于20 m，且传感器的引线存在一定的电感和杂散电容。存在的电感和杂散电容对供电电源为交变（载波）电源的测量系统会产生电感效应而发生畸变，对供电电源为直流的测量系统由于电容存在而产生积分效应。本文采用差分电源供电方式取代传统的交变载波技术改善以上供电方式的不足，并对测力传感器采用六线制接法，将反馈信号（SEN+、SEN-）作为参考电源，同时在软件设计中对信号进行数字一阶滤波，采用该技术不仅具有共模干扰抑制作用，还消除了传感器引线长短带来的影响，同时还将电感效应产生的脉动噪声有效过滤掉，保证仪表的稳定性、可靠性。

3 生产工艺设计

为了达到高精度、高可靠性的指标要求，该仪表采用如下生产工艺：①采用四层线路板，全贴片设计，在上贴片机前对元器件进行高低温交变老化筛查（-40℃～75℃）；②整个线路板全部采用三星SM321贴片机自动贴片生产，一次完成贴片，贴片后再一次采用欧姆龙光学检测仪进行焊接光学检测，杜绝虚焊；③进行初步电气测试后进行48 h高温老化试验（75℃）；④老化筛选后进行电气测试和电压校准；⑤整机测试并校准。图5为所研制的12通道高精度仪表。

4 试验测试

图5 12通道高精度仪表Fig.5 12-channels high precision intelligent instrument

选取2台研制的12通道高精度智能仪表，型号为HIP-12，编号分别为01和02，采用德国HBM公司生产的桥路校准单元K148进行校准，选用2.0 mV/V的测量范围，测量中采用0.00001 mV/V的分辨力，仪表选用±5 V的测量桥压，选用绝对读数mV/V。测试结果如图6～图9所示。

图6 12通道仪表01校准结果Fig.6 Calibration result of NO.1 instrument

图7 12通道仪表02校准结果Fig.7 Calibration result of NO.2 instrument

图8 12通道仪表01长期稳定性检测结果Fig.8 Stability calibration result of NO.1 instrument

图9 12通道仪表02长期稳定性检测结果Fig.9 Stability calibration result of NO.2 instrument

图6、图7分别为K148校准的12通道仪表01、02的校准结果，结果显示2个仪表的12通道的示值误差相对不确定度均优于±0.004%；图8、图9分别为12通道仪表01、02间隔1 a的长期稳定性检测结果，结果显示，该仪表的长期稳定性优于±0.004%，满足项目对高准确性、高稳定性仪表设计的需求。

5 结语

本文采用高精度同步采集技术、数字地和模拟地的差压技术、长线电感抑制技术、多通道独立同步采集技术、模块化通道设计等技术，研制出12通道高精度智能仪表。通过试验测试验证，该仪表准确度高、稳定性好，准确度和稳定性均优于±0.004%，满足衡器载荷测量仪开发对高精度测量仪表的要求。研制的高精度仪表还可适用于各种应变式传感器输出信号的测量，并将广泛应用于高精度测力传感器的力值传递、生产检测和验证评估以及各种高精度检测设备中。

[1]陈勇钢.AD7705高精度数据采集的实现[J].国外电子测量技术，2006，25（1）：38-40.

[2]刘伟，张存善.基于PIC单片机和AD7705的高精度信号采集系统设计[J].电子工程设计，2011，19（2）：185-188

[3]杨博，张加宏，李敏，等.基于ARM的多通道数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2015（2）：104-107.