分析裝載機動態稱重的實現機理并給出實現方案，通過動態稱重系統對硬件設計提出的要求，指出采樣電路的合 理設計是高精度動態電子秤得以實現的關鍵。從硬件和軟件兩方面對采樣電路的實現進行分析。最后通過工業現場環 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，動態稱重的測量精度穩定在1%以內。

0.引言

裝載機作為工程機械的一個重要機種，已廣泛應 用于國民經濟建設的眾多部門。目前，在車站、港口、 碼頭和采礦場，廣泛使用裝載機裝卸物料并進行計 量。國內普遍在裝車后用地磅秤計量所裝物料的質 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。若使裝載機在裝車過程中自動 稱量出所裝物料的質量，將使生產過程得到簡化，從 而減輕司機和工人的勞動強度，大幅提高勞動生產 率，還可為國家節約大量的燃料和資金，將會具有很 好的應用前景。

1.裝載機電子秤設計原理

考慮到動臂舉升液壓缸油壓是直接產生舉升力 之源，同時裝載機工作裝置結構的規范性也決定了載 重量與動臂舉升液壓缸壓力的函數關系式是可以確 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，實現裝載機載重測量。

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、作業過程中裝置的振動性、液壓 油黏度和慣性等不確定性因素的影響問題，使得僅僅 依賴理論計算所得到的動臂舉升液壓缸油壓和所舉 物料的重量之間的動力學模型111即pa 1曲線，無法完 成裝載機的動態稱重過程，更無從獲得高精度的動態 稱重結果。然而，理論分析和現場試驗都表明，在動 臂舉升的某一可控舉升速度（標定速度）下，通過測量 兩個標準質量塊（例如滿載和空載）的pai*線并將 其作為標定曲線，然后進行實際載重測量獲得實測曲 線，三條曲線在動臂舉升行程的25% ~40%區段范圍 內為近似平行關系，即在動臂舉升行程的某一固定位 置，標定質量塊重量值、實測物料重量值與所檢測到 的它們所對應的液壓缸壓力【之間呈現比例線性關系系。因此，在舉升行程的25% ~40%區段范圍內，采 用先標定，然后經比例線性計算的區段測量法實現動 態載重測量，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 作現場環境惡劣，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 成為問題的關鍵，采樣電路的設計精度和采樣速度直 接決定了動態稱重所能獲得的測量精度。因此，以下 對采樣電路的實現進行分析。

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，若通過將傳感器輸 出信號經外部功率放大后，再與A/：D轉換器相連實現 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 題，它具有兩路帶緩沖器的差分模擬輸入通道，通過 對相應寄存器進行控制，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、放大和濾波問題。同時它具有串 行SP接口使電路設計簡化，提高了整體性能。

在A/E轉換器中，基準源提供了一個絕對電壓， 與輸入電壓進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 慮多方面的問題并做出折衷，如初始精度、溫漂、受 溫濕度影響的長期穩定性、電流驅動能力、是否適合 工業現場應用、功率消耗、噪聲和成本等。綜合考慮 工業現場應用的要求，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 適合于工業現場應用。

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，要求供橋電源能夠對溫度、時 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,能夠滿足 工業級產品技術要求。

2.2實現方案

相應于裝載機動態稱重的實現機理，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 口用于接收來自光隔 的接近開關信號，以控制采樣電路采樣的起始，從而 實現區段測量和舉升時間控制。具體采樣電路如圖1 所示，將兩片AE7730 (片1、片2)分別用于采集動臂 液壓缸進、出油口壓力傳感器的壓力信號，并采用級 聯方式將兩片AE7730的SCK EOUT： DN的對應引 腳相連，通過HS0C7202核心控制器的SSCK SS EI SSDO I/O 口對這些接口進行讀寫控制。 HMS30C7202核心控制器的1/(口 分別對AD7730片1、片2的片選信號CC進行控制，以實現采 集順序協調控制。HMS0C7202的PC 口用于對級聯 在一起的RESET信號進行控制。與RDY連接， 通過查詢方式控制AD7730當狀態標志RDY為低電 平時，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，AD7730數據寄存器更 新數據，禁止數據傳送。經驗發現，查詢的方式可以 棄之不要，通過所設定的數據輸出率，估計轉換結果 完成的時間，并由此時間控制數據的讀取。

AD7730的串行時鐘脈沖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DN DOUI兩條數據線 進行串行讀寫操作來完成；狀態標志RDY標明 AD7730芯片的狀態；RESET信號用于初始化時控制 兩個芯片的復位。

2.3實現高分辨率A/D轉換電路設計應注意的幾個問題

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

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，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，同時避免噪聲對印制板其他部位元件產生輻 射干擾影響;模擬輸入信號線線條要寬，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 與數字元件要完全分開，印制電路板模擬地和數字地 要分開，避免模擬信號線和數字信號線相互交叉，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，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時序

AD7730使用串行SP聯口與HMS0C7202微處 理器進行通訊，針對采樣過程，HMS30C7202通過控制 AD7730的串口 SP財序，完成A/D連續轉換的讀寫 操作。考慮到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為時鐘極性邏輯輸入，它決定了串行時鐘的極性。

SPI時序程序的構造充分考慮了模塊化設計思 路，即針對讀、寫時序，分別為其構造相應的讀函數和 寫函數；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、寫函數，其流程分別如 圖3和圖4所示。為確保可靠性，在函數時序開始強 制設置片選信號、時鐘信號以及輸出（入）口為無效 狀態。

3.2采樣過程的軟件實現

AD7730工作方式的寫入設置和轉換結果的讀出 都是通過串口對片內相應寄存器進行操作完成的，因 此采樣過程軟件設計的工作就是利用以上構造的讀、 寫函數實現對寄存器的讀、寫操作。采樣過程包括初 始化、啟動和校正、采樣時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容。

1）在A/D轉換啟動前需要將片選信號、時鐘信號 以及輸出（入）口的初始態設定為無效態，避免相關引 腳處于不定態引發的干擾和模數轉換的不確定性問 題，以確保可靠性。

3）在系統啟動前要有足夠長時間的復位過程，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。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揮其優勢。其中一級 濾波器是一個低通濾波器，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而我國電網頻率恰為50Hz 因此為避開電網頻率干擾帶來的失調，本系統采樣更 新速率選擇為57Hz此時線路共模抑制優于90鄴能 夠達到近80 000個計數，相當于16. 2 bitf的有效分 辨率，完全能夠滿足系統測量的要求。

3.2.2啟動和校正

通過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 為獲得最高的分辨率，設置數據字長為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量程校正方法，分別通過向 失調校正和增益校正寄存器寫入相應校正數值，使零 刻度點位置以及增益系數調至最佳。

3.2.3采樣時間的控制

雖然裝載機液壓系統存在著較大波動，但在裝載 機一次舉升過程中實際用于動態稱重的區段范圍內， 曲線的性態相對平穩，在微小時間范圍內近乎直流， 若采樣時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，因此很容易滿足香 農定理;然而采樣時間過快則裝載機液壓系統的壓力 波動就會真實地復現出來，反而不利于實現后續比例 線性計算，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行延時來實現對采樣時間的 控制。

3.2.4軟件濾波

雖然已經對AC7730的兩級濾波器進行了合理的 設置，在裝載機舉升過程的區段測量范圍內，異常數 據仍會出現，為此專門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數據做差運算， 若差值超出閾值，則用前一個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 鐵路局煤場以ZL0 F型裝載機為研究對象進行了大 量的試驗，部分稱重結果如表1所示。

可以看出測量系統的測量精度穩定在1%以內。 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。