引言

傳統上，設計秤重、測力、轉矩 及壓力測量系統時(shí)，廣泛采用全橋 接電阻傳感器的方法。大多數橋接 傳感器都要求較高的激勵電壓（通 常為10 V),同時(shí)輸出較低的滿(mǎn)量程 差動(dòng)電壓，約為2mWV。傳感器的輸 出通常由儀表放大器加以放大，經(jīng) 過(guò)發(fā)大后的信號，再由髙精度模數 轉換器（ADC)進(jìn)行數字化，最后再 用一個(gè)通用的MCU作進(jìn)一步處理與 顯示。通常情況下,ADC并不集成在 MCU中。這種方法雖然可以實(shí)現滿(mǎn) 量程的ADC輸入電壓，但橋接傳感 器的激勵電壓髙達10 V,功耗較大， 而且使用的芯片數量也較多，加大 了電源管理的復雜度。

現在,通過(guò)在MSP430F42X芯片 中集成帶有差動(dòng)輸入的16位A-Z ADC和增益高達32的可編程增益放 大器（PGA)，實(shí)現了單芯片秤重系 統。整個(gè)系統只需用3 V電池供電， 不但能效高，且成本低。此外系統還 提供LCD驅動(dòng)器及掉電保護功能。

硬件描述

MSP430F42X系列是基于快速 閃存的超低功耗微控制器，片上集 成了三個(gè)16位A-Z ADC(SD16),這些 ADC還帶有PGA,能夠將傳送來(lái)的 信號放大最高32倍。橋接傳感器可 以直接連接到微控制器上，圖1給出 了該系統的電路圖。

將全橋接傳感器負激勵信號連 接至終端X1-1,正激勵信號連接至終 端X1-4,由MSP430的端口引腳P2.0 與P2.1供電。這樣，在測量期間或在 電子秤工作于待機狀態(tài)的情況下，就 可以不用電橋激勵電壓，從而降低功 耗。傳感器的電橋電阻為1200Q(典 型值)，電源電壓為3 V,激勵狀態(tài)下耗電2.5mA。將橋接傳感器的輸出信號連接至X1-2與X1-3, 通過(guò)兩個(gè)低通濾波器之后輸入SD16的輸入通道A0。

當最大負載為10 kg時(shí),全橋接傳感器具有2 mV/V 的額定滿(mǎn)量程差動(dòng)輸出電壓。要使傳感器信號能夠實(shí)現 1 g的精度,總共需要1萬(wàn)次計數，并顯示在LCD顯示屏 上。如果橋接傳感器獲得3 V的激勵電壓,則滿(mǎn)量程輸出 電壓為:3Vx2mWV = 6mV。也就是說(shuō),1g的重量轉 換為電壓形式可等效為:6 0^/101^
9 = 0.61^。為 了實(shí)現1 g的測量精度,所用ADC的LSB電壓應比上述 小四倍，即 0.6 mV/4 = 0.15 mVo

SD16可用內置的1.2 V參考電壓工作，也可用外部連接的參考電壓工作。圖1中給出的是用外部電阻分壓器來(lái)提供參考電壓。由于橋接傳感器由相同電壓的電源供電,這樣做的好處是能夠實(shí)現獨立于激勵電壓(Vcc)的比例輸出原則。如果橋接傳感器由Vcc供電而SD16模塊采用內部參考電壓，那么測量結果就會(huì )隨Vcc在電池使用壽命中的變動(dòng)而發(fā)生差異。當電源電壓為3V時(shí),使用圖1中所示的外部電阻分壓器得到的參考電壓為：

R9與R10的分壓比(divider ratio) R9/R10的選擇使生 成的參考電壓保持在容許的V*F范圍內,這時(shí)Vcc從3 V下 降至2.7 V。SD16模塊的最小電源電壓為2.7 V。其詳細 電壓范圍及其他參數，可參考MSP430F42X數據表 (SLAS421). SD16的參考電壓決定著(zhù)滿(mǎn)量程差分輸入電 壓，即M艱12。由于數據轉換器為雙極，因此ADC的LSB電壓為：

該LSB值經(jīng)過(guò)最大增益為32的PGA后，電壓值可降至0.605 pV。但該值比設計目標值0.15 MV仍然高出大約四倍，為此還需要將該值進(jìn)一步放大。為了不添加外部組件，可以采用更多的SD16輸出位。SD16模塊內部數字抽取濾波器能夠提供總共24位的訪(fǎng)問(wèn)?？蓪?/span>

字濾波器輸出的額外兩位添加給16位轉換結果,并將18位輸出信號進(jìn)行低通過(guò)濾（如進(jìn)行多結果平均)，這樣ADC的LSB電壓就可降至0.151 pV。

MSP430F427的片上LCD驅動(dòng)器可直接采用接口 與一般的LCD模塊連接。在本應用中采用了 SoftBaugh公司的4-mux7.1數碼LCD—SBLCDA4。電阻器R5、 R7與R8提供了 LCD驅動(dòng)器模塊所用的電壓階梯。采 用32 kHz的晶振作為系統時(shí)鐘參考,用于驅動(dòng)LCD并 在應用工作過(guò)程中周期性地從低功耗模式喚醒。此外， 系統還為電子秤操作提供了連接至P1.0的按鈕(SW1)。

軟件描述

MSP430F427單芯片秤重軟件有C語(yǔ)言（F42x_ Weigh_ Scale.c)與匯編語(yǔ)言(F42x_Weigh_Scale.s43)兩 種版本。兩種源代碼功能相同,但匯編語(yǔ)言版本更小。上 電復位時(shí),MSP430首先進(jìn)行外設初始化，包括禁用看門(mén) 狗定時(shí)器,配置LFXT1振蕩器負載電容用于外部晶振,初 始化LCD控制器、基本定時(shí)器及SD16轉換器模塊。SD16 的0通道經(jīng)過(guò)配置,采用雙輸入通道(channel pair) A0,并 用SD16模塊內部PGA放大信號達32倍增益。轉換器 由SMCLK計時(shí),頻率為1 048 567 Hz,并啟用連續轉換 模式。關(guān)于SD16操作的詳細信息可參考MSP430x4xx 系列用戶(hù)指南(SUUJ056)。圖2為軟件主流程圖。

在源代碼中,將兩個(gè)32位字CalMin與CalMax分配 到MSP430閃存段A以便保存校驗數據。上電后，軟件 檢查上述常量是否具備有效值。如果兩個(gè)位置都包含相 同的值（如設備編程后的0x_),校驗模式則被激活， 否則進(jìn)入測量模式。變量ProgramMode用于跟蹤當前 程序狀態(tài)（測量模式、校驗模式、斷電模式）并作出相應 設置。

隨后，MSP430進(jìn)入低功耗模式LPMO,啟用中斷。 LPM0作為SMCLK驅動(dòng)SD16,在應用有效運行且采集 ADC數據時(shí)不得關(guān)閉。此后,整個(gè)程序流程由中斷驅動(dòng), 共啟用三個(gè)中斷源?；居嫊r(shí)器ISR每0.5秒執行一次, 主要用于觸發(fā)測量進(jìn)程的啟動(dòng)(見(jiàn)圖3),端口 1 ISR用于 處理按鈕事件,每次A/D轉換后,調用SD16 ISR來(lái)處理 結果(見(jiàn)圖4)。

在校驗模式中可獲得兩個(gè)數據點(diǎn)。變量CalMin用于 存儲A/D結果,其顯示值等于0 g,而CalMax存儲的A/D 結果顯示值為10000g。CALL0或CALHI顯示出的數據 用來(lái)說(shuō)明哪個(gè)校驗數據點(diǎn)正被處理。按下按鈕SW1后,當 前SD16的轉換結果被讀取并存儲到臨時(shí)變量中。校驗結 束后，系統內的自動(dòng)編程將這兩個(gè)數據點(diǎn)編入INF0A快 閃信息存儲器段,這時(shí)軟件進(jìn)入測量模式。

至此，SD16轉換進(jìn)程每0.5秒啟動(dòng)一次,由基本定時(shí) 器ISR定時(shí)。轉換中，橋接傳感器上電,DC0啟用。這時(shí) MSP430在LPM0模式下運行。為了實(shí)現所需的精度,軟 件采用低通濾波器，采集多個(gè)18位A/D轉換結果，并進(jìn) 行累加。每次轉換后,SD16 ISR按照SD16采樣率(4 kHz) 執行。在采集實(shí)際數據前,反變量VoltageSettleCtr逐漸 減小為0,這就使電壓能在橋接傳感器上電后12毫秒內 達到穩定。SD16 ISR采集了 256個(gè)結果之后,用累加和 除以256,得到最后的18位結果。上述過(guò)程也可形容為 采樣數據由256到1的抽選。包括電壓穩定時(shí)間在內， SD16模塊每0.5秒鐘運行約75毫秒。

隨后,將該18位的計算結果與此前的值進(jìn)行比較。僅 當值變化時(shí)才計算新的顯示值并更新顯示。這就能夠避免 不必要的32位整數乘法及除法。

為了將A/D的測量結果轉換為實(shí)際的物理重量值，系統使用了兩點(diǎn)校驗機制。顯示值根據以下公式計算：

從CalMax到CalMin的范圍反映到從0到CAL MIN_MAX_SPAN 的范圍。CAUMIN_MAX_SPAN 默認設 置為10 000，等于橋接傳感器的最大機械負載10kg。需 注意：由于施加給SD16模塊的差動(dòng)信號的緣故,18位A/D 轉換結果是帶符號的，整個(gè)程序中都使用帶符號的代數 算法。這樣，也可顯示出負的重量值。測量結束之后， SD16模塊禁用，DC0在退出時(shí)進(jìn)入LPM3關(guān)閉模式，而 橋接傳感器則斷電以降低電流消耗。

只要按下按鈕SW1會(huì )立即使轉換失效,關(guān)閉LCD顯示屏 并進(jìn)入LPM3模式。在這種模式下,應用電路吸收的電流不到 1 pA，而32 kHz的振蕩器憾運行。如果需要的話(huà),也可進(jìn) 入LPM4模式來(lái)進(jìn)一步降低電流消耗。再次按下按鈕SW1, 應用便恢復正常的工作。在這種模式下，SD16模塊每0.5秒 鐘約運行75毫秒,得出新的計算結果后,顯示屏也隨之更新。 在此期間，MSP430消耗的電流約1 mA。橋接傳感器的激勵 及參考電壓的生成在此期間還需要3 mA的額外電流。在測 量間隙內，MSP430消耗電流約3 mA,其中包括了 LCD驅動(dòng)器 用于顯示計算結果的電流。因此，總的平均應用電流消耗量 在正常工作期間為6000。若想在任何時(shí)間內重新進(jìn)入校驗 模式,只需按下按鈕SW1至少5秒鐘即可實(shí)現。