基于MSC1210的标准负荷测量仪的研制

　　0　引言

　　标准负荷测量仪是与应变片配套的变送设备,用来测量扭矩和压力等物理量,广泛应用在比对式测力机、扭矩机、材料试验机、扭矩扳手检定等测量装置的负荷、扭矩、压力的测量中。但目前市场上该类产品普遍存在着性能较差、可靠性较低、使用不便等问题,用户迫切需要一种性能更高、调整更方便、智能化程度更高的标准负荷测量仪来替换原有产品。本文采用同步数字比率技术,表内标准电压源同时对传感器供桥电压和输出信号进行模数转换,采用数字计算方法获得比率测量数据,大幅度减小了仪表的漂移。该产品采用了高精度的数据恢复和移置技术,在需要时可进行恢复或将校准数据移入另外的仪表中,从而避免再次校准。

　　1　硬件电路设计

　　标准负荷测量仪的硬件主要由以下5个部分组成:

　　(1)主控制器

　　该测量仪选用MSC1210单片机为中央处理机,它集成了一个增强行8051内核,带有8路24位∑-△A/D转换器;21个中断源;全双工UART(并兼容有SPI功能);停止方式电流小于1 mA;比标准8051内核执行速度快3倍且全兼容;片内集成32KbFLASH,而且FLASH可定义为程序分区和数据存储分区,给设计带来非常大的灵活性;3个16位的定时器,16位PWM波输出;工作时钟最高可达33MHz。比8051系列单片机更加灵活方便,使实时控制、实时处理的功能更加完善,同时也大大简化了硬件配置。

　　(2)测量输入电路

　　MSC1210系列内部包含完整的前向通道、内部灵活的多路开关、可编程运放(PGA)和输入缓冲器等,使得无须再增加中间放大环节,这对系统的设计是非常有利的。由R3~R6构成的应变桥的输出经过R8、R9、C4、C7组成的滤波电路直接输入MSC1210的AIN0和AIN1,经24位高分辨率∑-A/D转换器完成模拟量到数字量转换。R1、R2为Vref提供基准电压,由于使用了输入缓冲器和自校准功能,在自校准时Vref+不能高于AVDD-1·5 V,否则将产生校准错误,所以需将AVDD经精密电阻分压得到2·5 V的基准。

　　MSC1210具有内部电压基准参考,同时也可以使用外部基准。在应变桥测量应用中,内部基准电压的使用将不能自动补偿由于桥激励电压、电流引起的噪声和漂移,为此在系统设计时使用了数字比率技术,即Vref=AVDD/2取自于桥路激励电压,当桥路电压变化时,同样的变化同时反应在测量端和基准参考端,则转换后的数字量保持恒定,这在最大程度上改善了A/D转换的稳定和精度。

　　应变桥的输出灵敏度一般在1~9·6 mV/V,利用MSC1210内部1~128倍可编程增益放大器(PGA)可以非常方便地进行量程的调整,以满足不同类型应变桥的信号范围。在PGA增益≥8倍、ACLK≥15·6 kHz时,为了最大可能地减小外部电路对转换的影响,在ADC配置时使用内置缓冲器,使输入阻抗高达1 GΩ以上,且在整个PGA增益变化范围内基本保持不变,这一特性为实现仪表性能的一致性和标定参数的可移置性提供了可能性。虽然在使用缓冲器后,通道的噪声略有增加,且信号的输入范围限制在+50 mV~AVDD-1·5 V内,但在应变桥应用中影响并不大。