分析裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重的實(shí)現(xiàn)機(jī)理并給出實(shí)現(xiàn)方案，通過動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)計(jì)提出的要求，指出采樣電路的合 理設(shè)計(jì)是高精度動(dòng)態(tài)電子秤得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。從硬件和軟件兩方面對(duì)采樣電路的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。最后通過工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán) 境條件下大量的試驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)采樣電路的可靠性和穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)稱重的測(cè)量精度穩(wěn)定在1%以內(nèi)。

0.引言

裝載機(jī)作為工程機(jī)械的一個(gè)重要機(jī)種，已廣泛應(yīng) 用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的眾多部門。目前，在車站、港口、 碼頭和采礦場(chǎng)，廣泛使用裝載機(jī)裝卸物料并進(jìn)行計(jì) 量。國內(nèi)普遍在裝車后用地磅秤計(jì)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(jī)在裝車過程中自動(dòng) 稱量出所裝物料的質(zhì)量，將使生產(chǎn)過程得到簡(jiǎn)化，從 而減輕司機(jī)和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提高勞動(dòng)生產(chǎn) 率，還可為國家節(jié)約大量的燃料和資金，將會(huì)具有很 好的應(yīng)用前景。

1.裝載機(jī)電子秤設(shè)計(jì)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(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)的規(guī)范性也決定了載 重量與動(dòng)臂舉升液壓缸壓力的函數(shù)關(guān)系式是可以確 定的，因此，本文采用國外著名廠商普遍采納的通過 在動(dòng)臂舉升液壓缸加裝壓力傳感器，從而間接測(cè)得裝 載機(jī)載重量的測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)載重測(cè)量。

另外，由于舉升過程隨操作條件的不同，舉升裝 置各處鉸鏈的摩擦、作業(yè)過程中裝置的振動(dòng)性、液壓 油黏度和慣性等不確定性因素的影響問題，使得僅僅 依賴?yán)碚撚?jì)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，無法完 成裝載機(jī)的動(dòng)態(tài)稱重過程，更無從獲得高精度的動(dòng)態(tài) 稱重結(jié)果。然而，理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都表明，在動(dòng) 臂舉升的某一可控舉升速度（標(biāo)定速度）下，通過測(cè)量 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊（例如滿載和空載）的pai*線并將 其作為標(biāo)定曲線，然后進(jìn)行實(shí)際載重測(cè)量獲得實(shí)測(cè)曲 線，三條曲線在動(dòng)臂舉升行程的25% ~40%區(qū)段范圍 內(nèi)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(biāo)定質(zhì)量塊重量值、實(shí)測(cè)物料重量值與所檢測(cè)到 的它們所對(duì)應(yīng)的液壓缸壓力【之間呈現(xiàn)比例線性關(guān)系系。因此，在舉升行程的25% ~40%區(qū)段范圍內(nèi)，采 用先標(biāo)定，然后經(jīng)比例線性計(jì)算的區(qū)段測(cè)量法實(shí)現(xiàn)動(dòng) 態(tài)載重測(cè)量，理論上可以獲得很高的測(cè)量精度。

在裝載機(jī)電子秤的具體設(shè)計(jì)方面，由于裝載機(jī)工 作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，人為因素影響操作存在任意性，油 壓系統(tǒng)具有不確定性的慣性沖擊，加上其他隨機(jī)干擾 因素等的影響，因此裝載機(jī)電子秤的實(shí)現(xiàn)難度較大， 在該情況下如何測(cè)試并盡最大可能地復(fù)現(xiàn)被測(cè)信號(hào) 成為問題的關(guān)鍵，采樣電路的設(shè)計(jì)精度和采樣速度直 接決定了動(dòng)態(tài)稱重所能獲得的測(cè)量精度。因此，以下 對(duì)采樣電路的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。

2.采樣電路的硬件設(shè)計(jì)

2.1芯片選型

裝載機(jī)舉升液壓缸工作壓力一般較高，達(dá)幾十兆 帕，所用壓力傳感器輸出信號(hào)小，若通過將傳感器輸 出信號(hào)經(jīng)外部功率放大后，再與A/：D轉(zhuǎn)換器相連實(shí)現(xiàn) 模數(shù)轉(zhuǎn)換，則信號(hào)容易受噪聲和隨機(jī)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(zhuǎn)換器AD7730[3芯片很好地解決了這一問 題，它具有兩路帶緩沖器的差分模擬輸入通道，通過 對(duì)相應(yīng)寄存器進(jìn)行控制，可分別設(shè)置四種單雙極性 傳感器模擬輸入量程范圍，同時(shí)其內(nèi)部包含可編程增 益前端和兩級(jí)可編程數(shù)字濾波器，該器件解決了 mV 級(jí)弱小信號(hào)的輸入、放大和濾波問題。同時(shí)它具有串 行SP接口使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，提高了整體性能。

在A/E轉(zhuǎn)換器中，基準(zhǔn)源提供了一個(gè)絕對(duì)電壓， 與輸入電壓進(jìn)行比較以確定適當(dāng)?shù)臄?shù)字輸出。針對(duì) 高精度A/E轉(zhuǎn)換器，若使其在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到高分辨 率，參考電壓應(yīng)足夠精確。電壓基準(zhǔn)源的選擇需要考 慮多方面的問題并做出折衷，如初始精度、溫漂、受 溫濕度影響的長期穩(wěn)定性、電流驅(qū)動(dòng)能力、是否適合 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、功率消耗、噪聲和成本等。綜合考慮 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求，選擇MAX6225[ 41穩(wěn)壓源作為采 樣電路的電壓基準(zhǔn)源，MAX225是低噪聲精密穩(wěn)壓 源，其初始準(zhǔn)確度達(dá)±0. 02%,溫度的長期穩(wěn)定性高達(dá) 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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

對(duì)于橋式測(cè)量電路，其輸出電壓的穩(wěn)定性與供橋 電源的性能密切相關(guān)，要求供橋電源能夠?qū)囟?、時(shí) 間等因素具有良好的穩(wěn)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(wěn)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(shù)為±0. 02% /C,能夠滿足 工業(yè)級(jí)產(chǎn)品技術(shù)要求。

2.2實(shí)現(xiàn)方案

相應(yīng)于裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重的實(shí)現(xiàn)機(jī)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 口用于接收來自光隔 的接近開關(guān)信號(hào)，以控制采樣電路采樣的起始，從而 實(shí)現(xiàn)區(qū)段測(cè)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(hào)，并采用級(jí) 聯(lián)方式將兩片AE7730的SCK EOUT： DN的對(duì)應(yīng)引 腳相連，通過HS0C7202核心控制器的SSCK SS EI SSDO I/O 口對(duì)這些接口進(jìn)行讀寫控制。 HMS30C7202核心控制器的1/(口 分別對(duì)AD7730片1、片2的片選信號(hào)CC進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)采 集順序協(xié)調(diào)控制。HMS0C7202的PC 口用于對(duì)級(jí)聯(lián) 在一起的RESET信號(hào)進(jìn)行控制。與RDY連接， 通過查詢方式控制AD7730當(dāng)狀態(tài)標(biāo)志RDY為低電 平時(shí)，讀取AD7730數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)或 校準(zhǔn)數(shù)據(jù);當(dāng)RDY為高電平時(shí)，AD7730數(shù)據(jù)寄存器更 新數(shù)據(jù)，禁止數(shù)據(jù)傳送。經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，查詢的方式可以 棄之不要，通過所設(shè)定的數(shù)據(jù)輸出率，估計(jì)轉(zhuǎn)換結(jié)果 完成的時(shí)間，并由此時(shí)間控制數(shù)據(jù)的讀取。

AD7730的串行時(shí)鐘脈沖SCIK是控制A/D串行 數(shù)據(jù)傳送的移位脈沖；A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、校準(zhǔn)系數(shù)、工作 方式和數(shù)據(jù)輸出速率則通過DN DOUI兩條數(shù)據(jù)線 進(jìn)行串行讀寫操作來完成；狀態(tài)標(biāo)志RDY標(biāo)明 AD7730芯片的狀態(tài)；RESET信號(hào)用于初始化時(shí)控制 兩個(gè)芯片的復(fù)位。

2.3實(shí)現(xiàn)高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問題

由于AD7730的分辨率極高、噪聲系數(shù)極低，要真 正實(shí)現(xiàn)高分辨率，僅僅依賴數(shù)據(jù)手冊(cè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 還必須注意實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的多方積累方可實(shí)現(xiàn)。

1）為防止AD7730芯片從閑置輸入引腳拾取噪聲 干擾，應(yīng)將這些引腳接地。

2）AD7730芯片下方不要布設(shè)任何信號(hào)線，并用 模擬地鋪銅層覆圍；特別要注意的是，A/D轉(zhuǎn)換器和 核心控制器的晶振應(yīng)用數(shù)字地覆圍屏蔽，并遠(yuǎn)離模擬 信號(hào)線，同時(shí)避免噪聲對(duì)印制板其他部位元件產(chǎn)生輻 射干擾影響;模擬輸入信號(hào)線線條要寬，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方面，模擬元件 與數(shù)字元件要完全分開，印制電路板模擬地和數(shù)字地 要分開，避免模擬信號(hào)線和數(shù)字信號(hào)線相互交叉，減 少耦合噪聲路徑;雙面印制板布設(shè)模擬地和數(shù)字地的 鋪銅層時(shí)，要分別覆圍所有模擬元件和數(shù)字元件，印 制板頂層模擬地與數(shù)字地鋪銅層要互不連接，底層模 擬地與數(shù)字地鋪銅層不要在接線端子插座的直流地 端短接，而要在AD7730芯片的模擬地AGND和數(shù)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(shù)。

3.采樣電路的軟件設(shè)計(jì)

3.1串行口構(gòu)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(duì)采樣過程，HMS30C7202通過控制 AD7730的串口 SP財(cái)序，完成A/D連續(xù)轉(zhuǎn)換的讀寫 操作?？紤]到HM330C7202的有效資源，采用K)口 嚴(yán)格依照?qǐng)D2構(gòu)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(gòu)造充分考慮了模塊化設(shè)計(jì)思 路，即針對(duì)讀、寫時(shí)序，分別為其構(gòu)造相應(yīng)的讀函數(shù)和 寫函數(shù)；另外，為包含各自的片選信號(hào)，針對(duì)兩片 AD7730為它們構(gòu)造各自的讀、寫函數(shù)，其流程分別如 圖3和圖4所示。為確?？煽啃裕诤瘮?shù)時(shí)序開始強(qiáng) 制設(shè)置片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)以及輸出（入）口為無效 狀態(tài)。

3.2采樣過程的軟件實(shí)現(xiàn)

AD7730工作方式的寫入設(shè)置和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出 都是通過串口對(duì)片內(nèi)相應(yīng)寄存器進(jìn)行操作完成的，因 此采樣過程軟件設(shè)計(jì)的工作就是利用以上構(gòu)造的讀、 寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的讀、寫操作。采樣過程包括初 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(nèi)容。

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

3）在系統(tǒng)啟動(dòng)前要有足夠長時(shí)間的復(fù)位過程，以 確保完全復(fù)位所有的邏輯、數(shù)字濾波器和模擬調(diào)制 器，并使所有片內(nèi)寄存器復(fù)位為默認(rèn)狀態(tài)。只有在復(fù) 位后才能設(shè)置所需寄存器并執(zhí)行校正。

3）硬件濾波器的設(shè)置，AE7730內(nèi)部包含兩級(jí)數(shù) 字濾波器，只有合理設(shè)置才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。其中一級(jí) 濾波器是一個(gè)低通濾波器，其主要功能是消除 調(diào)制器引入的量化噪聲；二級(jí)濾波器有三種工作模 式，根據(jù)應(yīng)用背景，選擇低通FR濾波器模式用于處 理一級(jí)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(yīng)當(dāng)在滿足其他要求的情況下 盡量降低更新速率，由此來提高有效分辨率，AE7730 的最低更新速率為50HZ而我國電網(wǎng)頻率恰為50Hz 因此為避開電網(wǎng)頻率干擾帶來的失調(diào)，本系統(tǒng)采樣更 新速率選擇為57Hz此時(shí)線路共模抑制優(yōu)于90鄴能 夠達(dá)到近80 000個(gè)計(jì)數(shù)，相當(dāng)于16. 2 bitf的有效分 辨率，完全能夠滿足系統(tǒng)測(cè)量的要求。

3.2.2啟動(dòng)和校正

通過軟件修改模式寄存器的相應(yīng)位，可設(shè)定輸入 范圍、通道選擇、數(shù)據(jù)寄存器字長以及操作模式等，根 據(jù)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力情況以及所選壓力傳感器 的量程范圍，設(shè)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(shè)置數(shù)據(jù)字長為24位;并設(shè)定 操作方式為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。失調(diào)和增益校正用于消 除A/D轉(zhuǎn)換過程中普遍存在的失調(diào)和增益誤差，選擇 內(nèi)部零刻度校正和內(nèi)部滿量程校正方法，分別通過向 失調(diào)校正和增益校正寄存器寫入相應(yīng)校正數(shù)值，使零 刻度點(diǎn)位置以及增益系數(shù)調(diào)至最佳。

3.2.3采樣時(shí)間的控制

雖然裝載機(jī)液壓系統(tǒng)存在著較大波動(dòng)，但在裝載 機(jī)一次舉升過程中實(shí)際用于動(dòng)態(tài)稱重的區(qū)段范圍內(nèi)， 曲線的性態(tài)相對(duì)平穩(wěn)，在微小時(shí)間范圍內(nèi)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(hào)的變化頻率高出許多，因此很容易滿足香 農(nóng)定理;然而采樣時(shí)間過快則裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力 波動(dòng)就會(huì)真實(shí)地復(fù)現(xiàn)出來，反而不利于實(shí)現(xiàn)后續(xù)比例 線性計(jì)算，為此，在不改變采樣更新速率的情況下，通 過在兩次采樣之間進(jìn)行延時(shí)來實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣時(shí)間的 控制。

3.2.4軟件濾波

雖然已經(jīng)對(duì)AC7730的兩級(jí)濾波器進(jìn)行了合理的 設(shè)置，在裝載機(jī)舉升過程的區(qū)段測(cè)量范圍內(nèi)，異常數(shù) 據(jù)仍會(huì)出現(xiàn)，為此專門設(shè)計(jì)了基于增量比較的軟件濾 波方法，即用新測(cè)得的數(shù)據(jù)和前一個(gè)數(shù)據(jù)做差運(yùn)算， 若差值超出閾值，則用前一個(gè)數(shù)據(jù)和閾值之和取代該 新數(shù)據(jù)，從而剔除可疑數(shù)據(jù)。

4.試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論

為驗(yàn)證采樣電路的軟、硬件設(shè)計(jì)的有效性，在某 鐵路局煤場(chǎng)以ZL0 F型裝載機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行了大 量的試驗(yàn)，部分稱重結(jié)果如表1所示。

可以看出測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度穩(wěn)定在1%以內(nèi)。 驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)和采樣電路的可靠性和穩(wěn) 定性是成功的。