CN102506982A - 自动补偿信号采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动补偿信号采集系统，其包括电源模块、微控制器、基准电路、A/D转换电路、硬件滤波电路、放大电路、称重传感器及补偿模块，其中，补偿模块包括模拟开关电路及分压电路，称重传感器对分压电路及基准电路输出一对反馈信号，基准电路根据反馈信号进行输入阻抗调节而对A/D转换电路输出基准电压，分压电路对反馈信号进行分压而产生基准信号，模拟开关电路交替采集来自称重传感器的输出信号及来自分压电路的基准信号以确定电路偏差而实现电路补偿。本发明通过六线制连接以增设一对反馈信号，同时配合分压电路及模拟开关电路的设置来对系统中的信号进行采集和处理以实现电路补偿，从而极大地提高系统的精确度及准确度。

Description

自动补偿信号采集系统

技术领域

本发明涉及工业自动化领域，更具体地涉及一种用于精密检重设备的自动补偿信号采集系统。

背景技术

随着电子技术飞速前进的脚步，工业自动化系统引导着各项控制技术向更快、更精、更准的方向迅速发展。在通过采集实时重量值来实现自动化控制的工业领域，如路桥、建筑、化工、饲料、肥料、冶金等等需要实现包装、配料、检重、测力等自动化控制的各类现场，一般都设置有重量信号采集系统以实现自动化控制。如图1所示，上述重量信号采集系统一般包括基准电路16、称重传感器15、信号放大电路14、滤波电路13、A/D转换电路12以及微控制器(MCU)11，其中，采用称重传感器15进行重量信号采集，然后再进行滤波、放大等处理，经A/D转换电路12实现由模拟量到数字量的转换，再由系统控制内核MCU11读取转换得到的数字信号，运算出对应的实时重量值，最后根据实时重量值对现场的系统进行相对应的逻辑控制，达到对应用系统的实时自动化控制的目的。

然而，基于上述重量信号采集系统，在实时数据采集过程中，由于系统中各部分电路均会存在一定的不稳定特性，如电缆的内部阻抗以及长距离传输带来的干扰；应用电阻、电容的温度漂移、蠕变带来的放大倍数的变化；A/D芯片本身的温度漂移、蠕变等等，这些因素都会导致采集到的数据与真实值相比较存在偏差，使控制系统的精度与准度受到无法逾越的影响。

因此，有必要提供一种具有自动补偿功能的信号采集系统以提高系统的检测精度和准度从而解决上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于精密检重设备的自动补偿信号采集系统，该自动补偿信号采集系统具有较高的检测精确度和准确度。

为了实现上述目的，本发明提供的自动补偿信号采集系统包括电源模块、微控制器、基准电路、A/D转换电路、硬件滤波电路、放大电路及称重传感器，此外还包括补偿模块，所述补偿模块包括模拟开关电路及分压电路，所述称重传感器对所述分压电路及基准电路输出一对反馈信号，所述基准电路根据所述反馈信号进行处理而对所述A/D转换电路输出基准电压，所述分压电路对所述反馈信号进行分压而产生基准信号，所述模拟开关电路交替采集来自所述称重传感器的输出信号及来自所述分压电路的基准信号以确定电路偏差进而实现电路补偿。

在本发明一较佳实施例中，所述称重传感器为电阻应变桥式传感器。

较佳地，所述分压电路包括电压跟随器及连接于所述电压跟随器的输出端的若干精密电阻。

较佳地，所述电压跟随器包括两运算放大器及分别连接于所述两运算放大器输入端的电阻R1和R2，所述若干精密电阻包括依次串联的电阻R3、R4和R5。

较佳地，所述电源模块对所述称重传感器的供电电压为5V，所述运算放大器的供电电压为10V，所述电阻R3、R4及R5的电阻值分别为24.9K欧姆、100欧姆及24.9K欧姆。

同样较佳地，所述模拟开关电路包括ADG409BR芯片，所述ADG409BR芯片包括两连接至所述微控制器的控制引脚，所述微控制器通过所述控制引脚对所述ADG409BR芯片产生控制信号而实现信号交替采集控制。

与现有技术相比，本发明提供的自动补偿信号采集系统中的称重传感器采用六线制连接而对分压电路及基准电路输出一对反馈信号，基准电路根据反馈信号而对A/D转换电路输出基准电压进而实现对传感器传输电缆的长线补偿，而分压电路及模拟开关电路的配合使用可对实际信号和基准信号进行切换采集以实现电路中的温度补偿和老化补偿，从而大大地提高了系统的精确度及准确度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为现有重量信号采集系统的电路结构示意图。

图2为本发明自动补偿信号采集系统一实施例的电路结构示意图。

图3为图1所示自动补偿信号采集系统中分压电路及基准电路的示意图。

图4为图1所示自动补偿信号采集系统中模拟开关电路的示意图。

图中各附图标记说明如下：

微控制器    11    A/D转换电路12

硬件滤波电路13    放大电路    14

称重传感器  15    基准电路    16

补偿模块    17    模拟开关电路171

分压电路    172   电源模块    18

传输电缆    19

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先请参照图2，图2展示了本发明自动补偿信号采集系统一实施例的电路结构示意图。如图2所示，本发明提供的自动补偿信号采集系统包括微控制器(MCU)11、A/D转换电路12、硬件滤波电路13、放大电路14、称重传感器15、基准电路16、补偿模块17以及为上述各个电路模块供电的电源模块18，其中，所述微控制器11、A/D转换电路12、硬件滤波电路13、放大电路14、补偿模块17及称重传感器15依次相连。优选地，在本实施例中，所述补偿模块17包括模拟开关电路171及分压电路172，所述称重传感器15采用电阻应变桥式传感器15，所述电阻应变桥式传感器15通过若干传输电缆19与所述补偿模块17进行六线制连接而产生了三对信号组，其中包括供桥电压信号EX⁺和EX^-、传感器的输出信号SI⁺和SI^-以及传感器的反馈信号SN⁺和SN^-。

图3展示了本发明自动补偿信号采集系统中分压电路172及基准电路16的电路结构。参照图2和图3，所述基准电路16连接于A/D转换电路12和分压电路172之间，其中，运算放大器U2B选用高精密预算放大器OPA2277/OP2177AR，而电阻R6、R7、R8及R9均采用精密电阻以实现精密调控。所述基准电路16接收来自所述称重传感器15的反馈信号SN⁺和SN^-，根据所述反馈信号SN+和SN-进行输入阻抗调节而输出REF+和REF-两信号以作为所述A/D转换电路12所采集的基准电压。基于该电路设计，当系统供桥电压信号EX由于传输过程的影响导致电压波动的时候，电阻应变桥式传感器15的输出信号SI会跟随供桥电压信号EX的变化而发生变化，同时由于反馈信号SN与供桥电压信号EX以及输出信号SI一起通过传输电缆16，会在传输过程中受到同样的影响，则反馈信号SN的值也会跟随供桥电压信号EX的变化而变化，也就说明A/D转换电路12采集的基准电压REF也会跟随供桥电压信号EX的变化而变化，这样一来即使由于传输电缆影响导致电压波动，但传感器的输出信号SI和A/D转换电路12的基准电压REF的波动都是同步的，则A/D转换电路12转换出来的数值受传输电缆影响导致的变化就会很小，达到对传输电缆实现长线补偿的目的，在采用这种方案的系统中，传感器的传输电缆可以长达150m仍旧能保证系统A/D采集的精度。

继续参照图2和图3，本具体实施例中，所述分压电路172包括两运算放大器U2A和U2B及电阻R1、R2、R3、R4及R5，所述电阻R2和R1分别连接于所述运算放大器U2A和U2B的输入端而一起形成电压跟随器，而电阻R3、R4及R5为精密电阻，其依次串联于所述电压跟随器的输出端以进行分压，其中所述运算放大器U2A和U2B均选用高精密预算放大器OPA2277/OP2177AR以实现精密处理。优选地，本实施例中，所述电源模块18对所述称重传感器15的供电电压(即供桥电压信号EX)为5V，所述运算放大器U2A和U2B的供电电压为10V，电阻R1和R2的电阻值均为100欧姆，当放大电路14的增益A0取值499，所述精密电阻R3、R4及R5的电阻值分别采用24.9K欧姆(Ω)、100欧姆及24.9K欧姆，那么经由该分压电路172分压后得到的基准信号SRE的值为EX/A0＝5/499。

图4展示了本发明自动补偿信号采集系统中模拟开关电路171的电路结构。请参照图4并结合图2和图3，本实施例中的模拟开关电路171包括ADG409BR芯片，所述ADG409BR芯片包括两连接至所述微控制器11的控制引脚A0和A1，所述微控制器11通过所述控制引脚A0和A1对所述ADG409BR芯片产生控制信号AA0和AA1而实现信号的切换，其中包括交替采集来自所述称重传感器15的输出信号SI⁺和SI^-及来自所述分压电路172的基准信号SRE⁺和SRE^-以确定电路偏差，从而实现电路补偿。此外，本实施例中ADG409BR芯片的输入端S1A和S1B连接有差压为0的两个SRE^-信号而实现零点补偿和灵敏度补偿，从而进一步完善系统的补偿功能。

参照图2至图4，基于上述电路结构，来自分压电路172的基准信号SRE经由放大电路14放大后的值仍旧为EX(EX/A0×A0＝EX)，此时，将该基准信号SRE与基准电压REF进行比较，换算出来的A/D码为恒定值。因此，可将某一次针对这个信号的采集结果当作基准值，此后采集到的数值都与这个基准值进行比较，则可得知系统中由于放大电路14、硬件滤波电路13和A/D转换电路12的影响导致出现了多大的偏差，再将上述偏差按照线性的关系换算到针对SI信号采集的数值量级，进而将出现的SI信号偏差减去，则可得到补偿掉电路影响后的实际数值。例如，按照20位有效位来采集A/D值，则当输出信号SI与基准值相等时，系统输出应该为满码值1048576。由于基准信号放大以后理论获得相当于EX值的信号，基准电压REF值为EX值，则转换结果即为接近满码的一个值，假设为986530，若在经过一段时间以后，发现这个值采集所得变为985600，通过运算可知偏差值为930，则认为系统出现了最大为930的偏差，若此时针对SI信号采集到的数值为356460，按照线性关系我们就可以换算到此时出现的偏差应该是336，则我们就可以认为SI信号的实际采集值应为356460-336＝356124，达到对信号采集的温度补偿目的。同理，通过对信号SI和基准信号SRE的切换采集比较，能够对参数的偏移进行补偿，达到针对系统电路老化补偿目的。

此外，由于在采集过程中能够实时的掌握到零点的变化值，所以在信号采集过程中，可将采集值减去零点的变化值而得到实际的数值，实现零点补偿；而由于得知了零点的变化值，同时按照上述针对补偿形式的分析，通过采集SRE信号值可知在接近最大值时系统的变化值，按照由零点到最大值的线性关系则可实现对任意采集值的变化值进行补偿，实现系统的灵敏度补偿。

如上所述，本发明提供的自动补偿信号采集系统中的称重传感器15采用六线制连接而对分压电路172及基准电路16输出一对反馈信号，基准电路16根据反馈信号而对A/D转换电路12输出基准电压进而实现对传感器传输电缆的长线补偿，而分压电路172及模拟开关电路171的配合使用可对实际信号和基准信号进行切换采集以实现电路中的温度补偿和老化补偿，其中，温度补偿和老化补偿又包含了针对零点和灵敏度(增益)两个部分的补偿功能，从而大大地提高了系统的精确度及准确度。经测试，基于上述技术的本发明自动补偿信号采集系统中，称重传感器15的传输电缆19的长度可达150m；在-20℃到60℃温度范围内，系统零点高低温特性可以达到5ppm/10℃，灵敏度高低温特性可以达到10ppm/10℃；室温条件下，长时间老化特性达到10ppm/年。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种自动补偿信号采集系统，适用于精密检重设备，所述自动补偿信号采集系统包括电源模块、微控制器、基准电路、A/D转换电路、硬件滤波电路、放大电路及称重传感器，其特征在于：还包括补偿模块，所述补偿模块包括模拟开关电路及分压电路，所述称重传感器对所述分压电路及基准电路输出一对反馈信号，所述基准电路根据所述反馈信号进行输入阻抗调节而对所述A/D转换电路输出基准电压，所述分压电路对所述反馈信号进行分压而产生基准信号，所述模拟开关电路交替采集来自所述称重传感器的输出信号及来自所述分压电路的基准信号以确定电路偏差进而实现电路补偿。

2.如权利要求1所述的自动补偿信号采集系统，其特征在于：所述称重传感器为电阻应变桥式传感器。

3.如权利要求1所述的自动补偿信号采集系统，其特征在于：所述分压电路包括电压跟随器及连接于所述电压跟随器的输出端的若干精密电阻。

4.如权利要求3所述的自动补偿信号采集系统，其特征在于：所述电压跟随器包括两运算放大器及分别连接于所述两运算放大器的输入端的电阻R1和R2，所述若干精密电阻包括依次串联的电阻R3、R4和R5。

5.如权利要求4所述的自动补偿信号采集系统，其特征在于：所述电源模块对所述称重传感器的供电电压为5V，所述运算放大器的供电电压为10V，所述电阻R3、R4及R5的电阻值分别为24.9K欧姆、100欧姆及24.9K欧姆。

6.如权利要求1所述的自动补偿信号采集系统，其特征在于：所述模拟开关电路包括ADG409BR芯片，所述ADG409BR芯片包括两连接至所述微控制器的控制引脚，所述微控制器通过所述控制引脚对所述ADG409BR芯片产生控制信号而实现信号交替采集控制。

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