1、23国内统一刊号 CN31-1424TB2023/4 总第299期多通道负荷测量仪设计与应用钟金德/福建省计量科学研究院；国家市场监管总局重点实验室（力值计量测试）；福建省力值计量测试重点实验室摘要力值输出装置需要定期使用标准负荷测量仪测量，确保其输出力值符合要求。目前使用的测量仪表多为单个硬件通道，无法实现多通道同时测量，并且人机交互能力有限。为克服目前仪表的缺陷，设计多通道负荷测量仪。仪表在 CPU 单片机硬件结构基础上，根据实际测量过程中的功能需求编制软件程序，可同时对 3个力值信号进行测量，实现多通道测量。实验结果表明：该仪表具有测量实时性好、准确度高、人机交互功能方便、操作简单等特点
2、。关键词力值计量；多通道数据采集；负荷测量仪0 引言负荷测量仪与应变片配套，用来测量扭矩和压力等物理量，其广泛应用在材料试验机、工作测力仪、扭矩仪等测量装置的力值、扭矩参量的测量中。目前使用的测量仪表多为单个硬件通道，无法实现多通道同时测量，并且人机交互能力有限1。为克服仪表的缺陷，设计多通道负荷测量仪，仪表在中央处理器（Central Processing Unit，简称 CPU）单片机硬件结构基础上，根据实际测量过程中的功能需求编制软件程序，实现在多通道数据准确采集的同时，使用触摸屏实现仪表操作和信息显示，满足力值、扭矩工业在线计量需求2-8。1 总体方案设计多通道高精度仪表（图 1）主要
3、由多级稳压电源、模数转换环节（A/D）、微处理器（MCU）、参数存储器（SPIFLASH）、通信接口组成。采集系统将张力传感器输出的应变信号经高精度 24 位 A/D 转换器放大、转换，并送入微处理器进行数字化和规范化处理，通过 RS485 总线输出到 PLC、LCD 显示屏。为此设计了多通道高精度仪表，以 51 单片机为主控 CPU，由 3 通道标准传感器同步数据采集模块、二级放大电路模块、A/D 转换模块、FLASH 存储模块、液晶显示模块、电源模块以及 PC 上位机组成。采集多通道标准传感器载荷信号的采集模块利用同步采样滤波技术，A/D 转换模块采用带有自校正功能的-24 位 A/D 转
4、换器，其由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路、-调制器以及可编程数字滤波器等组成，保证示值稳定至 30 万码，理论示值至 800 万码。电源模块包括整流、滤波、稳压电路，对传感器进行差分供电（5 V），克服电源零点漂移。液晶显示模块自带触摸屏功能，可以进行数据储存的选择，即根图 1 多通道高精度仪表框图24国内统一刊号 CN31-1424TB2023/4 总第299期据需要选择储存的数据，并通过 SD 卡存储，方便数据处理。此外，采集到的载荷信号和温度数据通过RS485 总线传送至 PC 上位机，在上位机中进行数据显示，并进行标准传感器温度补偿。2 A/D转换数字模块设计
5、A/D 转换数字模块由单片机、HX717 芯片、晶振、通信芯片、稳压芯片等组成。2.1 A/D 转换芯片选型HX717 芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等在内的其他同类型芯片所需外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了高精度仪表的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端 MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道 A 或通道 B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为 128 或 64，通道 B 的可编程增益为 64 或 8。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器提供电源
6、，系统板上无需添加模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。2.2 A/D 转换电路设计HX717 芯片外围电路如图 2 所示。图 2 HX717 芯片外围电路2.3 串行接口设计串行通信线由串行时钟输入口 PD_SCK 和串行数据输出口 DOUT 组成。当 DOUT 为高电平时，表明 A/D 转换器还未准备好输出数据，此时 PD_SCK应为低电平。当 DOUT 从高电平变为低电平时，PD_SCK 应输入 25 或 28 个时钟脉冲，参见图 3。其中第 1 至第24 个时钟脉冲的上升沿送出 24 位 ADC 数据；第 25至第 28 个时钟脉冲用来选择下一次 A/D 转换的输入通道和增益
7、，参见表 1。图 3 数据转换循环命令和时序表 1 输入通道和增益选择PD_SCK 脉冲数输入通道增益25A12826B6427A6428B8PD_SCK 脚断电可以用于控制芯片的断电。当DOUT 脚由高电平变低电平时，发送 30 个 PD_SCK时钟脉冲，且第 30 个时钟脉冲的上升沿保持在高电平超过 80 s 时，芯片进入断电状态。当 PD_SCK 重新回到低电平时，芯片进入工作状态，保持断电前的 A/D 转换速率。芯片从上电、断电状态进入工作25国内统一刊号 CN31-1424TB2023/4 总第299期状态或改变 A/D 转换速率，A/D 转换器需要 4 个数据输出周期才能稳定，即
8、DOUT 在 4 个数据输出周期后才会从高电平变为低电平，输出有效数据。2.4 A/D 转换软件设计1）对设备初始化和释放。2）把数据从内核传送至硬件并读取数据。3）读取应用程序传送至设备文件的数据和回送应用程序请求的数据。4）检测和处理设备出现的错误。A/D 转换驱动程序设计要点：（1）A/D 转换驱动程序的初始化。主要负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工作以及设备号的申请；（2）A/D 转换驱动程序的文件操作结构。定义相应的接口函数，如打开程序 open（）、写指令 write（）等，以供具体的系统调用；（3）A/D 驱动程序的控制模块。主要包括打开程序 open（）、关闭指令
9、 realse（）、写指令 write（）函数实现部分三大块。打开程序 open（）函数负责 A/D 转换设备的打开，关闭指令 realse（）负责 A/D 转换设备的关闭，写指令 write（）函数实现对模拟信号的采集、转换和输出；（4）驱动的加载和卸载。A/D 转换软件设计图如图 4 所示。A/DA/DA/DA/DA/D图 4 A/D 转换软件设计3 存储和显示电路设计3.1 闪存电路设计选用 W25X32VSSIG，该串行闪存提供称重仪表内部有限空间，及引脚和电源系统的存储解决方案。该芯片提供的灵活性和性能远远超出普通的串行闪存器件。该器件由 2.7 V 至 3.6 V 单电源供电，电流
10、消耗低至 5 mA 且具有 1 A 的关断模式。所有器件均提供节省空间的封装。具有 SPI 单或双输出，时钟、片选数据 I/O 数据输出、可选锁定功能的 SPI 灵活性。数据传输高达 150 MBit/s，具有灵活的架构 与 4 KB 扇区。闪存电路如图 5 所示。图 5 闪存电路3.2 外部显示电路采用了 TM1621，一种 128 点阵式存储映射多功能 LCD 驱动电路。TM1621 的 S/W 结构特点，使它适合点阵式 LCD 显示，包括 LCD 模块和显示子系统，如图 6 所示。图 6 外部显示电路3.3 RS232 和 RS485 通信接口设计考虑仪表通用性，预留设计了 RS232
11、和 RS485通信接口，根据通信距离、通信设备数量的不同，仪表设计了 RS232 和 RS485 两种串口通信模式，其中，RS232 用于单机短距离通信，RS485 可用于多机远距离通信。电路中通过跳线开关切换两种通信模式，通过 MAX232 和 MAX485 两种芯片实现 TTL信号电平的转换，并与同时选用的 6N137 高速光耦对 STM32 与 MX232 与 MX485 芯片之间的信号进行光电隔离，降低信号传输过程中的干扰，有效提高信号传输的稳定性，串口通信电路如图 7 所示。26国内统一刊号 CN31-1424TB2023/4 总第299期3.4 交互界面设计上位监控站承担的主要任务
12、为过程可视化、过程控制、显示报警、参数管理等，本研究选用集中LCD 集中显示，其底层程序在出厂时已固定，可以通过 RS485 通信接口与 PC 端上位机交互数据。人机交互界面具有实时显示力值能力，也可以通过按键来设定不同状态下的力值。4 仪表测试及数据分析依据 JJF 14692014应变式传感器测量仪校准规范使用 K148 桥路校准单元对多通道高精度仪 表 9三 通 道 在 0.2 mV/V、0.4 mV/V、0.6 mV/V、0.8 mV/V、1 mV/V、1.2 mV/V、1.6 mV/V、2 mV/V时进行校准，数据如表 2 表 4 所示。表 2 通道 1 测试结果校准点/mVV-1示
13、值误差/mVV-1示值重复性/%示值相对误差/%123平均值0.20.000 00.000 00.000 00.000 00.000.000.40.000 0-0.000 10.000 00.000 00.030.000.60.000 00.000 10.000 00.000 00.020.000.80.000 00.000 00.000 00.000 00.000.001-0.000 10.000 0-0.000 1-0.000 10.01-0.011.20.000 00.000 1-0.000 10.000 00.020.001.6-0.000 2-0.000 10.000 0-0.000
14、 10.01-0.0120.000 0-0.000 4-0.000 1-0.000 20.02-0.01通过对多通道负荷测量的性能指标分析，该仪表主要性能指标：测量范围 0 2.5 mV/V，示值重复性 0.05%，示值相对误差优于 0.1%，示值相对分辨力优于 0.05%；仪表的各项性能指标均达到 0.1 级应变式传感器测量仪的技术要求。图 7 通信接口电路设计表 3 通道 2 测试结果校准点/mVV-1示值误差/mVV-1示值重复性/%示值相对误差/%123平均值0.20.000 0 0.000 0 0.000 0 0.000 0 0.000.000.40.000 0 0.000 0 0.
15、000 0 0.000 0 0.000.000.6-0.000 1 0.000 0-0.000 1-0.000 1 0.02-0.020.8-0.000 1-0.000 1-0.000 1-0.000 1 0.00-0.011-0.000 2-0.000 1-0.000 2-0.000 2 0.01-0.021.2-0.000 1 0.000 0-0.000 2-0.000 1 0.02-0.011.6-0.000 3-0.000 2-0.000 1-0.000 2 0.01-0.012-0.000 2-0.000 1-0.000 2-0.000 2 0.01-0.01表 4 通道 3 测试结
16、果校准点/mVV-1示值误/mVV-1示值重复性/%示值相对误差/%123平均值0.20.000 0 0.000 0 0.000 0 0.000 0 0.000.000.40.000 0 0.000 0 0.000 0 0.000 0 0.000.000.60.000 1 0.000 1 0.000 0 0.000 1 0.02+0.020.8-0.000 1 0.000 0-0.000 1-0.000 1 0.01-0.011-0.000 2 0.000 1 0.000 0 0.000 0 0.030.001.2-0.000 1 0.000 1-0.000 2-0.000 1 0.03-0.
17、011.6-0.000 3-0.000 1-0.000 1-0.000 2 0.01-0.012-0.000 1 0.000 1-0.000 1 0.000 0 0.010.005 结语本文设计的多通道负荷测量仪，可应用于力值、扭矩等多通道数据采集，如张力测量模块10，实现3 个力值信号的同时测量，并且能够将测量数据直接进行计算存储，体积小、稳定性高、重复性好，符合智能化仪表发展趋势，具有较高的实用价值。（下转第 31 页）31国内统一刊号 CN31-1424TB2023/4 总第299期见稿）。4 结语扬尘在线监测系统校准方法研究是对环境在线监测设备，尤其是户外无防护监测设备溯源方法的积极尝
18、试，完全契合国家计量发展规划（2021-2035年）中所倡导的开展“针对复杂环境、实时工况和极端环境”等新型量值传递溯源技术研究的要求。同时也应看到，开展实时工况下的影响量及模拟工况校准方法研究，对校准装置的可靠性、准确度、易操作性等方面提出了更高要求，溯源技术水平仍存在提升空间，对扬尘监测过程中的影响因素机理研究也有待深入。参考文献1 全国环境化学计量技术委员会.JJG 8462015 粉尘浓度测量仪检定规程S.北京：中国质检出版社，2015.2 全国环境化学计量技术委员会.JJF 17162018 粉尘浓度测量仪型式评价大纲S.北京：中国质检出版社，2018.3 潘小乐.相对湿度对气溶胶散
19、射特性影响的观测研究D.北京：中国气象科学研究院硕士论文，2007.4 徐春雨，徐东群，王秦，周慧霞.湿度对光散射法测定颗粒物浓度影响的研究C./全国环境卫生学术年会.2011年全国环境卫生学术年会论文集.深圳：中国预防医学会；中国疾病预防控制中心，2011：371-373.5 张国城，沈正生，赵红达，等.粉尘性质对光散射式粉尘仪测量结果的影响J.检定与校准，2017（7）：46-48.6 全国工业过程测量和控制标准化技术委员会.GB/T 116062007 分析仪器环境试验方法S.北京：中国标准出版社，2007.7 中环协（北京）认证中心.RJGF 0562021 粉尘噪声在线监测系统S.北
20、京：中环协（北京）认证中心，2021.Research on the influence of working conditions on dust on-line monitoring system and calibration method of simulated working conditionsLi Yafei，Zhang Yafei，Li Xuehui，Yu Zhiqiang（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）Abstract:In this paper,the influence of worki
21、ng conditions(particle properties,temperature and humidity,etc.)on the dust online monitoring system is systematically studied by using the developed simulated working condition particle calibration device,and according to the influence characteristics of particulate matter,temperature and humidity
22、on the measurement of particulate matter,a technical route is proposed to solve the traceability problem of dust online monitoring system by simulated working conditions.Key words:dust online monitoring system;mass concentration conversion factor;working conditions；simulation conditions参考文献1 陈世超，易伟，
23、李程.动态扭矩检测技术研究J.中国测试，2016，42（11）：75-78.2 王青，耿丽.基于FPGA的激光雷达多通道数据实时采集系统J.激光杂志，2022，43（11）：74-77.3 王小龙.基于STM32的多通道温湿度测量仪设计研究J.科技创新与应用，2023（9）：119-122.4 黄晓龙，尹华超.基于串并联电路结构的多通道全自动应变量校准器设计J.工业计量，2023，33（2）：33-39.5 马毅超，徐鹏.一种高速数字多通道采集系统P.中国专利：CN 218331988 U，2023-01-17.6 林达文，王进，彭立群.轨道交通橡胶材料多通道疲劳试验机的研制及应用J.特种橡胶
24、制品，2023，44（2）：55-59.7 李世平，张洪昱，符青，等.一种高性能多通道通用DMA设计与实现J.机电信息，2023（7）：46-48.8 周树辉，宋坤，胡旭杰，等.LNG槽车智能仪表改造方案研究J.石油和化工设备，2023（26）：67-70.9 全国力值硬度计量技术委员会.JJF 14692014应变式传感器测量仪校准规范S.北京：中国质检出版社，2014.10 钟金德.口罩机恒张力测量与控制技术研究J.计量与测试技术，2022，49（11）：31-42.Design and application of multi-channel load measuring instrum
25、entZhong JindeFujian Metrology Institute;Key Laboratory of State Administration of market supervision（force measurement test）；Fujian Provincial Key Laboratory of Force MeasurementAbstract:The force value output device needs to use the standard load measuring instrument to measure regularly to ensure
26、 that its output force value meets the requirements.At present,most of the measuring instruments are single hardware channel,which can not achieve multi-channel simultaneous measurement,and the human-computer interaction ability is limited.In order to overcome the shortcomings of current instruments
27、,multi-channel load measuring instrument is designed.Based on the hardware structure of CPU single-chip microcomputer,the instrument can measure three force signals at the same time and realize multi-channel measurement.The experimental results show that the instrument has the advantages of good real-time performance,high accuracy,convenient human-computer interaction and simple operation.Key words:force measurement;multi-channel data acquisition;load measuring instrument（上接第 26 页）
