分析装载机动态称重的实现机理并给出实现方案，通过动态称重系统对硬件设计提出的要求，指出采样电路的合 理设计是高精度动态电子秤得以实现的关键。从硬件和软件两方面对采样电路的实现进行分析。最后通过工业现场环 境条件下大量的试验，验证所设计采样电路的可靠性和稳定性，动态称重的测量精度稳定在1%以内。

0.引言

装载机作为工程机械的一个重要机种，已广泛应 用于国民经济建设的众多部门。目前，在车站、港口、 码头和采矿场，广泛使用装载机装卸物料并进行计 量。国内普遍在装车后用地磅秤计量所装物料的质 量，不仅增加安装地磅秤的成本和不必要的燃油损 耗，而且施工效率低。若使装载机在装车过程中自动 称量出所装物料的质量，将使生产过程得到简化，从 而减轻司机和工人的劳动强度，大幅提高劳动生产 率，还可为国家节约大量的燃料和资金，将会具有很 好的应用前景。

1.装载机电子秤设计原理

考虑到动臂举升液压缸油压是直接产生举升力 之源，同时装载机工作装置结构的规范性也决定了载 重量与动臂举升液压缸压力的函数关系式是可以确 定的，因此，本文采用国外著名厂商普遍采纳的通过 在动臂举升液压缸加装压力传感器，从而间接测得装 载机载重量的测量方案，实现装载机载重测量。

另外，由于举升过程随操作条件的不同，举升装 置各处铰链的摩擦、作业过程中装置的振动性、液压 油黏度和惯性等不确定性因素的影响问题，使得仅仅 依赖理论计算所得到的动臂举升液压缸油压和所举 物料的重量之间的动力学模型111即pa 1曲线，无法完 成装载机的动态称重过程，更无从获得高精度的动态 称重结果。然而，理论分析和现场试验都表明，在动 臂举升的某一可控举升速度（标定速度）下，通过测量 两个标准质量块（例如满载和空载）的pai*线并将 其作为标定曲线，然后进行实际载重测量获得实测曲 线，三条曲线在动臂举升行程的25% ~40%区段范围 内为近似平行关系，即在动臂举升行程的某一固定位 置，标定质量块重量值、实测物料重量值与所检测到 的它们所对应的液压缸压力【之间呈现比例线性关系系。因此，在举升行程的25% ~40%区段范围内，采 用先标定，然后经比例线性计算的区段测量法实现动 态载重测量，理论上可以获得很高的测量精度。

在装载机电子秤的具体设计方面，由于装载机工 作现场环境恶劣，人为因素影响操作存在任意性，油 压系统具有不确定性的惯性冲击，加上其他随机干扰 因素等的影响，因此装载机电子秤的实现难度较大， 在该情况下如何测试并尽最大可能地复现被测信号 成为问题的关键，采样电路的设计精度和采样速度直 接决定了动态称重所能获得的测量精度。因此，以下 对采样电路的实现进行分析。

2.采样电路的硬件设计

2.1芯片选型

装载机举升液压缸工作压力一般较高，达几十兆 帕，所用压力传感器输出信号小，若通过将传感器输 出信号经外部功率放大后，再与A/：D转换器相连实现 模数转换，则信号容易受噪声和随机干扰的影响，使 信噪比得不到保证。美国模拟器件公司的24位高精 度A/C转换器AD7730[3芯片很好地解决了这一问 题，它具有两路带缓冲器的差分模拟输入通道，通过 对相应寄存器进行控制，可分别设置四种单双极性 传感器模拟输入量程范围，同时其内部包含可编程增 益前端和两级可编程数字滤波器，该器件解决了 mV 级弱小信号的输入、放大和滤波问题。同时它具有串 行SP接口使电路设计简化，提高了整体性能。

在A/E转换器中，基准源提供了一个绝对电压， 与输入电压进行比较以确定适当的数字输出。针对 高精度A/E转换器，若使其在实际应用中达到高分辨 率，参考电压应足够精确。电压基准源的选择需要考 虑多方面的问题并做出折衷，如初始精度、温漂、受 温湿度影响的长期稳定性、电流驱动能力、是否适合 工业现场应用、功率消耗、噪声和成本等。综合考虑 工业现场应用的要求，选择MAX6225[ 41稳压源作为采 样电路的电压基准源，MAX225是低噪声精密稳压 源，其初始准确度达±0. 02%,温度的长期稳定性高达 2X 10—5 /1000 h工作温度范围为一40 ~ + 85°C，完全 适合于工业现场应用。

对于桥式测量电路，其输出电压的稳定性与供桥 电源的性能密切相关，要求供桥电源能够对温度、时 间等因素具有良好的稳定性。为此选择小功率 WRE240505 S-1W电源作为供桥电源，该电源具有宽 输入18 ~36V输入隔离和双隔离稳压输出，是1W低 功率电源模块，其工作温度范围为一40 ~+85 ^高低 温特性较好，温度漂移系数为±0. 02% /C,能够满足 工业级产品技术要求。

2.2实现方案

相应于装载机动态称重的实现机理，采用Hyix 公司的HMS0C7202 ARM敫处理器[51作为核心控制 器，并使用HM泛0C7202的PC 口用于接收来自光隔 的接近开关信号，以控制采样电路采样的起始，从而 实现区段测量和举升时间控制。具体采样电路如图1 所示，将两片AE7730 (片1、片2)分别用于采集动臂 液压缸进、出油口压力传感器的压力信号，并采用级 联方式将两片AE7730的SCK EOUT： DN的对应引 脚相连，通过HS0C7202核心控制器的SSCK SS EI SSDO I/O 口对这些接口进行读写控制。 HMS30C7202核心控制器的1/(口 分别对AD7730片1、片2的片选信号CC进行控制，以实现采 集顺序协调控制。HMS0C7202的PC 口用于对级联 在一起的RESET信号进行控制。与RDY连接， 通过查询方式控制AD7730当状态标志RDY为低电 平时，读取AD7730数据寄存器内的A/D转换数据或 校准数据;当RDY为高电平时，AD7730数据寄存器更 新数据，禁止数据传送。经验发现，查询的方式可以 弃之不要，通过所设定的数据输出率，估计转换结果 完成的时间，并由此时间控制数据的读取。

AD7730的串行时钟脉冲SCIK是控制A/D串行 数据传送的移位脉冲；A/D转换结果、校准系数、工作 方式和数据输出速率则通过DN DOUI两条数据线 进行串行读写操作来完成；状态标志RDY标明 AD7730芯片的状态；RESET信号用于初始化时控制 两个芯片的复位。

2.3实现高分辨率A/D转换电路设计应注意的几个问题

由于AD7730的分辨率极高、噪声系数极低，要真 正实现高分辨率，仅仅依赖数据手册是远远不够的， 还必须注意实际经验的多方积累方可实现。

1）为防止AD7730芯片从闲置输入引脚拾取噪声 干扰，应将这些引脚接地。

2）AD7730芯片下方不要布设任何信号线，并用 模拟地铺铜层覆围；特别要注意的是，A/D转换器和 核心控制器的晶振应用数字地覆围屏蔽，并远离模拟 信号线，同时避免噪声对印制板其他部位元件产生辐 射干扰影响;模拟输入信号线线条要宽，采用最短路 径靠近AD7730模拟输入端口。

3）在印制电路板元件布局和布线方面，模拟元件 与数字元件要完全分开，印制电路板模拟地和数字地 要分开，避免模拟信号线和数字信号线相互交叉，减 少耦合噪声路径;双面印制板布设模拟地和数字地的 铺铜层时，要分别覆围所有模拟元件和数字元件，印 制板顶层模拟地与数字地铺铜层要互不连接，底层模 拟地与数字地铺铜层不要在接线端子插座的直流地 端短接，而要在AD7730芯片的模拟地AGND和数字 地DGND处单点短接，这样更能有效降低接地阻抗和 噪声系数。

3.采样电路的软件设计

3.1串行口构造SP时序

AD7730使用串行SP联口与HMS0C7202微处 理器进行通讯，针对采样过程，HMS30C7202通过控制 AD7730的串口 SP财序，完成A/D连续转换的读写 操作。考虑到HM330C7202的有效资源，采用K)口 严格依照图2构造SP肘序。图2中，POL为时钟极性逻辑输入，它决定了串行时钟的极性。

SPI时序程序的构造充分考虑了模块化设计思 路，即针对读、写时序，分别为其构造相应的读函数和 写函数；另外，为包含各自的片选信号，针对两片 AD7730为它们构造各自的读、写函数，其流程分别如 图3和图4所示。为确保可靠性，在函数时序开始强 制设置片选信号、时钟信号以及输出（入）口为无效 状态。

3.2采样过程的软件实现

AD7730工作方式的写入设置和转换结果的读出 都是通过串口对片内相应寄存器进行操作完成的，因 此采样过程软件设计的工作就是利用以上构造的读、 写函数实现对寄存器的读、写操作。采样过程包括初 始化、启动和校正、采样时间的控制以及软件滤波等 过程，其流程如图5所示。

3.2 1初始化

初始化工作主要包括如下内容。

1）在A/D转换启动前需要将片选信号、时钟信号 以及输出（入）口的初始态设定为无效态，避免相关引 脚处于不定态引发的干扰和模数转换的不确定性问 题，以确保可靠性。

3）在系统启动前要有足够长时间的复位过程，以 确保完全复位所有的逻辑、数字滤波器和模拟调制 器，并使所有片内寄存器复位为默认状态。只有在复 位后才能设置所需寄存器并执行校正。

3）硬件滤波器的设置，AE7730内部包含两级数 字滤波器，只有合理设置才能发挥其优势。其中一级 滤波器是一个低通滤波器，其主要功能是消除 调制器引入的量化噪声；二级滤波器有三种工作模 式，根据应用背景，选择低通FR滤波器模式用于处 理一级滤波器的输出。在输入电压范围确定后，可编 程增益放大器的增益也就确定，这样采样更新速率的 选择就变得非常重要，应当在满足其他要求的情况下 尽量降低更新速率，由此来提高有效分辨率，AE7730 的最低更新速率为50HZ而我国电网频率恰为50Hz 因此为避开电网频率干扰带来的失调，本系统采样更 新速率选择为57Hz此时线路共模抑制优于90邺能 够达到近80 000个计数，相当于16. 2 bitf的有效分 辨率，完全能够满足系统测量的要求。

3.2.2启动和校正

通过软件修改模式寄存器的相应位，可设定输入 范围、通道选择、数据寄存器字长以及操作模式等，根 据装载机液压系统的压力情况以及所选压力传感器 的量程范围，设定输入范围为单极性0 ~ 10mV并选 择第一通道作为输入口，而第二通道留作备用；同时 为获得最高的分辨率，设置数据字长为24位;并设定 操作方式为连续转换模式。失调和增益校正用于消 除A/D转换过程中普遍存在的失调和增益误差，选择 内部零刻度校正和内部满量程校正方法，分别通过向 失调校正和增益校正寄存器写入相应校正数值，使零 刻度点位置以及增益系数调至最佳。

3.2.3采样时间的控制

虽然装载机液压系统存在着较大波动，但在装载 机一次举升过程中实际用于动态称重的区段范围内， 曲线的性态相对平稳，在微小时间范围内近乎直流， 若采样时间等于前述的采样更新速率，则采样速率要 比输入信号的变化频率高出许多，因此很容易满足香 农定理;然而采样时间过快则装载机液压系统的压力 波动就会真实地复现出来，反而不利于实现后续比例 线性计算，为此，在不改变采样更新速率的情况下，通 过在两次采样之间进行延时来实现对采样时间的 控制。

3.2.4软件滤波

虽然已经对AC7730的两级滤波器进行了合理的 设置，在装载机举升过程的区段测量范围内，异常数 据仍会出现，为此专门设计了基于增量比较的软件滤 波方法，即用新测得的数据和前一个数据做差运算， 若差值超出阈值，则用前一个数据和阈值之和取代该 新数据，从而剔除可疑数据。

4.试验验证与结论

为验证采样电路的软、硬件设计的有效性，在某 铁路局煤场以ZL0 F型装载机为研究对象进行了大 量的试验，部分称重结果如表1所示。

可以看出测量系统的测量精度稳定在1%以内。 验证了所设计的试验平台和采样电路的可靠性和稳 定性是成功的。