分析裝載機動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的實(shí)現機理并給出實(shí)現方案，通過(guò)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統對硬件設計提出的要求，指出采樣電路的合 理設計是高精度動(dòng)態(tài)電子秤得以實(shí)現的關(guān)鍵。從硬件和軟件兩方面對采樣電路的實(shí)現進(jìn)行分析。最后通過(guò)工業(yè)現場(chǎng)環(huán) 境條件下大量的試驗，驗證所設計采樣電路的可靠性和穩定性，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的測量精度穩定在1%以?xún)取?/span>

0.引言

裝載機作為工程機械的一個(gè)重要機種，已廣泛應 用于國民經(jīng)濟建設的眾多部門(mén)。目前，在車(chē)站、港口、 碼頭和采礦場(chǎng)，廣泛使用裝載機裝卸物料并進(jìn)行計 量。國內普遍在裝車(chē)后用地磅秤計量所裝物料的質(zhì) 量，不僅增加安裝地磅秤的成本和不必要的燃油損 耗，而且施工效率低。若使裝載機在裝車(chē)過(guò)程中自動(dòng) 稱(chēng)量出所裝物料的質(zhì)量，將使生產(chǎn)過(guò)程得到簡(jiǎn)化，從 而減輕司機和工人的勞動(dòng)強度，大幅提高勞動(dòng)生產(chǎn) 率，還可為國家節約大量的燃料和資金，將會(huì )具有很 好的應用前景。

1.裝載機電子秤設計原理

考慮到動(dòng)臂舉升液壓缸油壓是直接產(chǎn)生舉升力 之源，同時(shí)裝載機工作裝置結構的規范性也決定了載 重量與動(dòng)臂舉升液壓缸壓力的函數關(guān)系式是可以確 定的，因此，本文采用國外著(zhù)名廠(chǎng)商普遍采納的通過(guò) 在動(dòng)臂舉升液壓缸加裝壓力傳感器，從而間接測得裝 載機載重量的測量方案，實(shí)現裝載機載重測量。

另外，由于舉升過(guò)程隨操作條件的不同，舉升裝 置各處鉸鏈的摩擦、作業(yè)過(guò)程中裝置的振動(dòng)性、液壓 油黏度和慣性等不確定性因素的影響問(wèn)題，使得僅僅 依賴(lài)理論計算所得到的動(dòng)臂舉升液壓缸油壓和所舉 物料的重量之間的動(dòng)力學(xué)模型111即pa 1曲線(xiàn)，無(wú)法完 成裝載機的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重過(guò)程，更無(wú)從獲得高精度的動(dòng)態(tài) 稱(chēng)重結果。然而，理論分析和現場(chǎng)試驗都表明，在動(dòng) 臂舉升的某一可控舉升速度（標定速度）下，通過(guò)測量 兩個(gè)標準質(zhì)量塊（例如滿(mǎn)載和空載）的pai*線(xiàn)并將 其作為標定曲線(xiàn)，然后進(jìn)行實(shí)際載重測量獲得實(shí)測曲 線(xiàn)，三條曲線(xiàn)在動(dòng)臂舉升行程的25% ~40%區段范圍 內為近似平行關(guān)系，即在動(dòng)臂舉升行程的某一固定位 置，標定質(zhì)量塊重量值、實(shí)測物料重量值與所檢測到 的它們所對應的液壓缸壓力【之間呈現比例線(xiàn)性關(guān)系系。因此，在舉升行程的25% ~40%區段范圍內，采 用先標定，然后經(jīng)比例線(xiàn)性計算的區段測量法實(shí)現動(dòng) 態(tài)載重測量，理論上可以獲得很高的測量精度。

在裝載機電子秤的具體設計方面，由于裝載機工 作現場(chǎng)環(huán)境惡劣，人為因素影響操作存在任意性，油 壓系統具有不確定性的慣性沖擊，加上其他隨機干擾 因素等的影響，因此裝載機電子秤的實(shí)現難度較大， 在該情況下如何測試并盡最大可能地復現被測信號 成為問(wèn)題的關(guān)鍵，采樣電路的設計精度和采樣速度直 接決定了動(dòng)態(tài)稱(chēng)重所能獲得的測量精度。因此，以下 對采樣電路的實(shí)現進(jìn)行分析。

2.采樣電路的硬件設計

2.1芯片選型

裝載機舉升液壓缸工作壓力一般較高，達幾十兆 帕，所用壓力傳感器輸出信號小，若通過(guò)將傳感器輸 出信號經(jīng)外部功率放大后，再與A/：D轉換器相連實(shí)現 模數轉換，則信號容易受噪聲和隨機干擾的影響，使 信噪比得不到保證。美國模擬器件公司的24位高精 度A/C轉換器AD7730[3芯片很好地解決了這一問(wèn) 題，它具有兩路帶緩沖器的差分模擬輸入通道，通過(guò) 對相應寄存器進(jìn)行控制，可分別設置四種單雙極性 傳感器模擬輸入量程范圍，同時(shí)其內部包含可編程增 益前端和兩級可編程數字濾波器，該器件解決了 mV 級弱小信號的輸入、放大和濾波問(wèn)題。同時(shí)它具有串 行SP接口使電路設計簡(jiǎn)化，提高了整體性能。

在A/E轉換器中，基準源提供了一個(gè)絕對電壓， 與輸入電壓進(jìn)行比較以確定適當的數字輸出。針對 高精度A/E轉換器，若使其在實(shí)際應用中達到高分辨 率，參考電壓應足夠精確。電壓基準源的選擇需要考 慮多方面的問(wèn)題并做出折衷，如初始精度、溫漂、受 溫濕度影響的長(cháng)期穩定性、電流驅動(dòng)能力、是否適合 工業(yè)現場(chǎng)應用、功率消耗、噪聲和成本等。綜合考慮 工業(yè)現場(chǎng)應用的要求，選擇MAX6225[ 41穩壓源作為采 樣電路的電壓基準源，MAX225是低噪聲精密穩壓 源，其初始準確度達±0. 02%,溫度的長(cháng)期穩定性高達 2X 10—5 /1000 h工作溫度范圍為一40 ~ + 85°C，完全 適合于工業(yè)現場(chǎng)應用。

對于橋式測量電路，其輸出電壓的穩定性與供橋 電源的性能密切相關(guān)，要求供橋電源能夠對溫度、時(shí) 間等因素具有良好的穩定性。為此選擇小功率 WRE240505 S-1W電源作為供橋電源，該電源具有寬 輸入18 ~36V輸入隔離和雙隔離穩壓輸出，是1W低 功率電源模塊，其工作溫度范圍為一40 ~+85 ^高低 溫特性較好，溫度漂移系數為±0. 02% /C,能夠滿(mǎn)足 工業(yè)級產(chǎn)品技術(shù)要求。

2.2實(shí)現方案

相應于裝載機動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的實(shí)現機理，采用Hyix 公司的HMS0C7202 ARM敫處理器[51作為核心控制 器，并使用HM泛0C7202的PC 口用于接收來(lái)自光隔 的接近開(kāi)關(guān)信號，以控制采樣電路采樣的起始，從而 實(shí)現區段測量和舉升時(shí)間控制。具體采樣電路如圖1 所示，將兩片AE7730 (片1、片2)分別用于采集動(dòng)臂 液壓缸進(jìn)、出油口壓力傳感器的壓力信號，并采用級 聯(lián)方式將兩片AE7730的SCK EOUT： DN的對應引 腳相連，通過(guò)HS0C7202核心控制器的SSCK SS EI SSDO I/O 口對這些接口進(jìn)行讀寫(xiě)控制。 HMS30C7202核心控制器的1/(口 分別對AD7730片1、片2的片選信號CC進(jìn)行控制，以實(shí)現采 集順序協(xié)調控制。HMS0C7202的PC 口用于對級聯(lián) 在一起的RESET信號進(jìn)行控制。與RDY連接， 通過(guò)查詢(xún)方式控制AD7730當狀態(tài)標志RDY為低電 平時(shí)，讀取AD7730數據寄存器內的A/D轉換數據或 校準數據;當RDY為高電平時(shí)，AD7730數據寄存器更 新數據，禁止數據傳送。經(jīng)驗發(fā)現，查詢(xún)的方式可以 棄之不要，通過(guò)所設定的數據輸出率，估計轉換結果 完成的時(shí)間，并由此時(shí)間控制數據的讀取。

AD7730的串行時(shí)鐘脈沖SCIK是控制A/D串行 數據傳送的移位脈沖；A/D轉換結果、校準系數、工作 方式和數據輸出速率則通過(guò)DN DOUI兩條數據線(xiàn) 進(jìn)行串行讀寫(xiě)操作來(lái)完成；狀態(tài)標志RDY標明 AD7730芯片的狀態(tài)；RESET信號用于初始化時(shí)控制 兩個(gè)芯片的復位。

2.3實(shí)現高分辨率A/D轉換電路設計應注意的幾個(gè)問(wèn)題

由于AD7730的分辨率極高、噪聲系數極低，要真 正實(shí)現高分辨率，僅僅依賴(lài)數據手冊是遠遠不夠的， 還必須注意實(shí)際經(jīng)驗的多方積累方可實(shí)現。

1）為防止AD7730芯片從閑置輸入引腳拾取噪聲 干擾，應將這些引腳接地。

2）AD7730芯片下方不要布設任何信號線(xiàn)，并用 模擬地鋪銅層覆圍；特別要注意的是，A/D轉換器和 核心控制器的晶振應用數字地覆圍屏蔽，并遠離模擬 信號線(xiàn)，同時(shí)避免噪聲對印制板其他部位元件產(chǎn)生輻 射干擾影響;模擬輸入信號線(xiàn)線(xiàn)條要寬，采用最短路 徑靠近AD7730模擬輸入端口。

3）在印制電路板元件布局和布線(xiàn)方面，模擬元件 與數字元件要完全分開(kāi)，印制電路板模擬地和數字地 要分開(kāi)，避免模擬信號線(xiàn)和數字信號線(xiàn)相互交叉，減 少耦合噪聲路徑;雙面印制板布設模擬地和數字地的 鋪銅層時(shí)，要分別覆圍所有模擬元件和數字元件，印 制板頂層模擬地與數字地鋪銅層要互不連接，底層模 擬地與數字地鋪銅層不要在接線(xiàn)端子插座的直流地 端短接，而要在AD7730芯片的模擬地AGND和數字 地DGND處單點(diǎn)短接，這樣更能有效降低接地阻抗和 噪聲系數。

3.采樣電路的軟件設計

3.1串行口構造SP時(shí)序

AD7730使用串行SP聯(lián)口與HMS0C7202微處 理器進(jìn)行通訊，針對采樣過(guò)程，HMS30C7202通過(guò)控制 AD7730的串口 SP財序，完成A/D連續轉換的讀寫(xiě) 操作?？紤]到HM330C7202的有效資源，采用K)口 嚴格依照圖2構造SP肘序。圖2中，POL為時(shí)鐘極性邏輯輸入，它決定了串行時(shí)鐘的極性。

SPI時(shí)序程序的構造充分考慮了模塊化設計思 路，即針對讀、寫(xiě)時(shí)序，分別為其構造相應的讀函數和 寫(xiě)函數；另外，為包含各自的片選信號，針對兩片 AD7730為它們構造各自的讀、寫(xiě)函數，其流程分別如 圖3和圖4所示。為確?？煽啃?，在函數時(shí)序開(kāi)始強 制設置片選信號、時(shí)鐘信號以及輸出（入）口為無(wú)效 狀態(tài)。

3.2采樣過(guò)程的軟件實(shí)現

AD7730工作方式的寫(xiě)入設置和轉換結果的讀出 都是通過(guò)串口對片內相應寄存器進(jìn)行操作完成的，因 此采樣過(guò)程軟件設計的工作就是利用以上構造的讀、 寫(xiě)函數實(shí)現對寄存器的讀、寫(xiě)操作。采樣過(guò)程包括初 始化、啟動(dòng)和校正、采樣時(shí)間的控制以及軟件濾波等 過(guò)程，其流程如圖5所示。

3.2 1初始化

初始化工作主要包括如下內容。

1）在A/D轉換啟動(dòng)前需要將片選信號、時(shí)鐘信號 以及輸出（入）口的初始態(tài)設定為無(wú)效態(tài)，避免相關(guān)引 腳處于不定態(tài)引發(fā)的干擾和模數轉換的不確定性問(wèn) 題，以確?？煽啃?。

3）在系統啟動(dòng)前要有足夠長(cháng)時(shí)間的復位過(guò)程，以 確保完全復位所有的邏輯、數字濾波器和模擬調制 器，并使所有片內寄存器復位為默認狀態(tài)。只有在復 位后才能設置所需寄存器并執行校正。

3）硬件濾波器的設置，AE7730內部包含兩級數 字濾波器，只有合理設置才能發(fā)揮其優(yōu)勢。其中一級 濾波器是一個(gè)低通濾波器，其主要功能是消除 調制器引入的量化噪聲；二級濾波器有三種工作模 式，根據應用背景，選擇低通FR濾波器模式用于處 理一級濾波器的輸出。在輸入電壓范圍確定后，可編 程增益放大器的增益也就確定，這樣采樣更新速率的 選擇就變得非常重要，應當在滿(mǎn)足其他要求的情況下 盡量降低更新速率，由此來(lái)提高有效分辨率，AE7730 的最低更新速率為50HZ而我國電網(wǎng)頻率恰為50Hz 因此為避開(kāi)電網(wǎng)頻率干擾帶來(lái)的失調，本系統采樣更 新速率選擇為57Hz此時(shí)線(xiàn)路共模抑制優(yōu)于90鄴能 夠達到近80 000個(gè)計數，相當于16. 2 bitf的有效分 辨率，完全能夠滿(mǎn)足系統測量的要求。

3.2.2啟動(dòng)和校正

通過(guò)軟件修改模式寄存器的相應位，可設定輸入 范圍、通道選擇、數據寄存器字長(cháng)以及操作模式等，根 據裝載機液壓系統的壓力情況以及所選壓力傳感器 的量程范圍，設定輸入范圍為單極性0 ~ 10mV并選 擇第一通道作為輸入口，而第二通道留作備用；同時(shí) 為獲得最高的分辨率，設置數據字長(cháng)為24位;并設定 操作方式為連續轉換模式。失調和增益校正用于消 除A/D轉換過(guò)程中普遍存在的失調和增益誤差，選擇 內部零刻度校正和內部滿(mǎn)量程校正方法，分別通過(guò)向 失調校正和增益校正寄存器寫(xiě)入相應校正數值，使零 刻度點(diǎn)位置以及增益系數調至最佳。

3.2.3采樣時(shí)間的控制

雖然裝載機液壓系統存在著(zhù)較大波動(dòng)，但在裝載 機一次舉升過(guò)程中實(shí)際用于動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的區段范圍內， 曲線(xiàn)的性態(tài)相對平穩，在微小時(shí)間范圍內近乎直流， 若采樣時(shí)間等于前述的采樣更新速率，則采樣速率要 比輸入信號的變化頻率高出許多，因此很容易滿(mǎn)足香 農定理;然而采樣時(shí)間過(guò)快則裝載機液壓系統的壓力 波動(dòng)就會(huì )真實(shí)地復現出來(lái)，反而不利于實(shí)現后續比例 線(xiàn)性計算，為此，在不改變采樣更新速率的情況下，通 過(guò)在兩次采樣之間進(jìn)行延時(shí)來(lái)實(shí)現對采樣時(shí)間的 控制。

3.2.4軟件濾波

雖然已經(jīng)對AC7730的兩級濾波器進(jìn)行了合理的 設置，在裝載機舉升過(guò)程的區段測量范圍內，異常數 據仍會(huì )出現，為此專(zhuān)門(mén)設計了基于增量比較的軟件濾 波方法，即用新測得的數據和前一個(gè)數據做差運算， 若差值超出閾值，則用前一個(gè)數據和閾值之和取代該 新數據，從而剔除可疑數據。

4.試驗驗證與結論

為驗證采樣電路的軟、硬件設計的有效性，在某 鐵路局煤場(chǎng)以ZL0 F型裝載機為研究對象進(jìn)行了大 量的試驗，部分稱(chēng)重結果如表1所示。

可以看出測量系統的測量精度穩定在1%以?xún)取?驗證了所設計的試驗平臺和采樣電路的可靠性和穩 定性是成功的。