过采样技术在核子秤中的应用研究

　　1引言

　　核子秤能在与传输带不直接接触的情况下，实现输送机翰送物料的在线连续检测、计量与控制，是新一代散装物料在线计量及监控设备，广泛用于各种工业现场。

　　核子秤设计，在不考虑系统成本的前提下，可以选用优质高精度元器件、高分辨率ADC，精心设计电路来满足设计要求。但在大多数情况下，仪表的生产成本是设计的一个重要因素[1]。这里考虑采用80C51F005作为CPU，它具有内嵌12位A/D[2]，作为计量来说，位数还是有些不足，因此利用过采样技术来提高精度。

　　2过采样技术及应用要求

　　2.1过采样技术[3]

　　反映噪声功率与过采样率和分辨率关系的表达式如下:

　　给定一个固定的噪声功率，可以计算所需要的位数。解方程(1)求N，得到用给定的参考电压带内噪声功率及过采样率来计算有效位数的方程如下:

　　式(2)说明有效位数是参考电压、带内噪声功率和过采样率的函数。同时可以注意到采样频率每增加一倍带内噪声将减小3dB而测量分辨率将增加1/2位。在实际应用中将一个信号的带宽限制到小于fs/2，然后以某个过采样率OSR对该信号采样，再对采样值求平均值或抽取得到结果输出。数据每增加一位分辨率或每减小6dB的噪声，需要以4倍的采样频率进行过　　采样。

　　要求，fos是过采样频率。

　　2. 2实际应用

　　由于考虑采用80C51 F005作为CPU，它内嵌12位A/D，希望得到更高的ADC的精度，则应根据式(3)来分析系统的要求。

　　对于2m/s的输送带，如果要分辨lmm的物料，则每1/2000s必须得到一个采样值。80C51 F005的A/D采样速率为100ksps，则最大采样次数为100 * 1000/2000=50。按照式(3)计算有W<3。取W=2，即分辨率位数增加2位，这样就要求以16倍的频率进行过采样，即以2kHz * 16 = 32kH:的频率进行过采样，系统就能实现14位的采集精度。

　　3核子秤的实现

　　通过对核子秤电离室信号的放大处理，将信号送单片机C8051F005的ADo口，对这个信号进行过采样处理，即以32kH:的采样频率读取采样结果，并进行处理。A/D以定时器启动，转换完成中断方式进行采集、处理，流程框图如图1所示。

　　在主程序中，根据核放射检测方法[4]，将采集的结果(U)按照式(4)处理。

　　计算出单位距离上的物料重量，再与当前采集的速度相乘，即得到被检测物料的当前的实时流量。实时流量与时间的乘积即为物料的重量或质量。

　　4结束语

　　在核子秤的程序设计中采用过采样与求均值技术，通过软硬件相结合的方法，大大降低仪表成本及开发设计的复杂程度，并将12位的A/D，提升为14位精度，使系统的性能得到有效的提高。