基于模塊化的電子天平軟件功能設(shè)計(jì)

陳良澤，秦 晴

(1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304； 2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300300)

0 引言

在生物醫(yī)學(xué)工程和生物制藥等領(lǐng)域，通常利用高精度電子天平進(jìn)行微小質(zhì)量分析，但目前我國(guó)高精度電子分析天平的發(fā)展與世界先進(jìn)水平還有不少的差距，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)基本被國(guó)外產(chǎn)品壟斷。

本文利用IAR Embedded Workbench軟件編程環(huán)境完成電子天平系統(tǒng)基于MSP430F149單片機(jī)以及24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器CS5532的軟件程序設(shè)計(jì)，可以有效提高電子天平的數(shù)據(jù)處理精度，增加天平功能，提供更加靈活、方便的操作，從而提高電子天平的測(cè)量精度和智能化水平。

1 軟件總體設(shè)計(jì)

電子天平軟件總體設(shè)計(jì)包括對(duì)電子天平的功能需求進(jìn)行分析，按照電子天平工作要求，明確各模塊的功能，并制定軟件的總體框架和總體軟件流程圖。

1.1 電子天平軟件功能需求

根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的電子天平功能需要，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外電子天平的現(xiàn)有功能，本文所設(shè)計(jì)電子天平軟件功能包括去皮功能、校準(zhǔn)功能、稱重功能、菜單管理功能、通信功能。其中，校準(zhǔn)功能包括外部校準(zhǔn)、內(nèi)部校準(zhǔn)、基于溫度的自動(dòng)校準(zhǔn)和非線性校準(zhǔn)4種校準(zhǔn)方式。

稱重功能中，電子天平除了基本的稱重功能外，還具有百分比稱量、計(jì)數(shù)稱量、單位轉(zhuǎn)換等功能。利用菜單化的管理方式，通過按鍵操作可以直觀、方便地進(jìn)行各項(xiàng)功能設(shè)置，使電子天平便于操作，更加人性化。通過RS232通信接口可以實(shí)現(xiàn)天平和計(jì)算機(jī)的通信，使整個(gè)系統(tǒng)更加方便、自動(dòng)化。

1.2 軟件整體框架

電子天平的軟件程序設(shè)計(jì)包括天平應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)和對(duì)數(shù)據(jù)的處理算法兩個(gè)方面。因此，模塊化設(shè)計(jì)首先將電子天平功能軟件和算法軟件分開處理。

功能軟件設(shè)計(jì)中根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)功能，例如去皮、校準(zhǔn)、按鍵、顯示、菜單設(shè)置等再分為單獨(dú)的子模塊，各部分程序間互不影響。對(duì)于算法程序設(shè)計(jì)也遵循將復(fù)雜算法分為簡(jiǎn)單算法獨(dú)立進(jìn)行處理的原則，各子算法之間通過特定的接口函數(shù)相聯(lián)系，相互之間只有數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。電子天平的總體軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)電子天平的軟件整體框架圖，對(duì)天平的軟件設(shè)計(jì)采用由子程序來(lái)完成各項(xiàng)功能的方式，盡可能使主程序簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。主程序主要實(shí)現(xiàn)電子天平的上電自檢、各模塊初始化、按鍵掃描與中斷響應(yīng)、外部模塊的控制等。其他應(yīng)用功能通過按鍵中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。在主程序運(yùn)行過程中，如果有按鍵發(fā)生，則進(jìn)入相應(yīng)的中斷程序完成相應(yīng)功能的處理，完成之后繼續(xù)運(yùn)行主程序，實(shí)時(shí)顯示稱量數(shù)據(jù)。

2 主要應(yīng)用功能模塊軟件設(shè)計(jì)

2.1 稱重模塊設(shè)計(jì)

電子天平默認(rèn)為基本稱量方式。基本稱量功能在主程序中實(shí)現(xiàn)，默認(rèn)開機(jī)完成一系列初始化操作后，電子天平進(jìn)入基本稱量程序，實(shí)時(shí)采集處理A/D傳感器的測(cè)量值，然后轉(zhuǎn)化為物體質(zhì)量并在液晶屏上顯示結(jié)果。除了基本的稱量方式外，本文設(shè)計(jì)電子天平還具有百分比稱量功能和計(jì)數(shù)稱量功能。

1)百分比稱量功能。百分比稱量的原理首先是通過菜單設(shè)置進(jìn)入百分比稱量模式，然后測(cè)量參考物體的質(zhì)量并進(jìn)行記錄；最后測(cè)量被測(cè)物體的質(zhì)量并和參考物體質(zhì)量進(jìn)行百分比計(jì)算，輸出并顯示結(jié)果。百分比稱量的參考值可以根據(jù)用戶指定物品的不同而不同，主要用于比較混合物體質(zhì)量和快速檢重等應(yīng)用。

圖1 電子天平軟件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)

2)計(jì)數(shù)稱量功能。計(jì)數(shù)稱量用于統(tǒng)計(jì)一次稱量中質(zhì)量相差不多的物體的個(gè)數(shù)。其稱量原理首先是通過菜單設(shè)置計(jì)數(shù)稱量模式；其次根據(jù)液晶屏提示選擇參考樣本數(shù)目；然后放入?yún)⒖紭颖具M(jìn)行稱量；最后對(duì)需要稱量的物體進(jìn)行稱量并計(jì)算數(shù)目，其中參考樣本的數(shù)目可以根據(jù)用戶需要選擇5、10、20三種。

2.2 校準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

電子天平校準(zhǔn)分為內(nèi)部校準(zhǔn)、外部校準(zhǔn)、溫度觸發(fā)校準(zhǔn)以及非線性校準(zhǔn)4種模式。在天平首次使用或者改變使用環(huán)境以及使用一段時(shí)間后，均需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)以保證測(cè)量精度。

1)內(nèi)部校準(zhǔn)。內(nèi)部校準(zhǔn)是基于電子天平內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)砝碼實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)校準(zhǔn)。其基本原理是通過菜單選項(xiàng)設(shè)置校準(zhǔn)方式為內(nèi)部校準(zhǔn)，當(dāng)按鍵執(zhí)行校準(zhǔn)時(shí)，天平啟動(dòng)內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)程序，利用電子天平內(nèi)部自動(dòng)加卸載砝碼機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)天平的校準(zhǔn)。

2)外部校準(zhǔn)。在電子天平使用過程中，通常采用外部校準(zhǔn)的方式對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。外部校準(zhǔn)是使用者利用外部標(biāo)準(zhǔn)砝碼手動(dòng)加卸載實(shí)現(xiàn)的校準(zhǔn)方式。同內(nèi)部校準(zhǔn)方式一樣，首先要對(duì)校準(zhǔn)方式進(jìn)行設(shè)置；然后根據(jù)液晶屏提示完成外部校準(zhǔn)操作。

3)溫度觸發(fā)校準(zhǔn)。由于本文設(shè)計(jì)高精度電子天平測(cè)量結(jié)果受溫度影響較大，因此設(shè)計(jì)基于溫度變化較大時(shí)的自動(dòng)校準(zhǔn)功能。溫度觸發(fā)校準(zhǔn)需要設(shè)定一個(gè)溫差閾值ΔT，開啟溫度觸發(fā)校準(zhǔn)檢測(cè)后，若本次測(cè)量溫度值與上次校準(zhǔn)時(shí)記錄的溫度值之差超過所設(shè)定溫差閾值ΔT時(shí)，即啟動(dòng)溫度觸發(fā)校準(zhǔn)功能，調(diào)用內(nèi)部校準(zhǔn)程序?qū)﹄娮犹炱竭M(jìn)行校準(zhǔn)，完成校準(zhǔn)后記錄本次溫度值作為下次校準(zhǔn)溫度參考值。

4)非線性校準(zhǔn)。非線性校準(zhǔn)主要是針對(duì)電子天平測(cè)量的線性誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)電子天平首次使用或者移動(dòng)位置后均需要重新進(jìn)行非線性校準(zhǔn)以保證測(cè)量精度。進(jìn)入非線性校準(zhǔn)界面后，液晶顯示屏?xí)甘静僮髡呒有遁d不同質(zhì)量的砝碼完成校準(zhǔn)過程。

3 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

電子天平數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)預(yù)處理部分程序設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)利用高精度A/D處理器對(duì)電子天平傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些數(shù)據(jù)預(yù)處理，提高了測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾性，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，通過軟件算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理彌補(bǔ)了硬件數(shù)據(jù)處理的一些不足之處。

3.1 稱重?cái)?shù)據(jù)采集程序

本文選擇具有低噪聲、高集成度的Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5532，通過單片機(jī)的3個(gè)I/O口模擬SPI操作時(shí)序?qū)/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行讀寫操作。

CS5532轉(zhuǎn)換器不具有上電復(fù)位功能，因此需要利用軟件對(duì)其進(jìn)行初始化。軟件初始化采用執(zhí)行串口實(shí)現(xiàn)，其具體過程首先是設(shè)置配置寄存器的RS(系統(tǒng)復(fù)位)位為1；然后向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送15個(gè)字節(jié)的SYNC1(0xFFH)，接著再發(fā)送1個(gè)字節(jié)的SYNC0(0xFEH)，就可以完成A/D的串口初始化，完成初始化后，RS位自動(dòng)配置為0，串口進(jìn)入命令模式。

CS5532轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一個(gè)32位的配置寄存器、4個(gè)32位通道設(shè)置寄存器、4個(gè)32位偏移寄存器和4個(gè)32位增益寄存器。在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前，首先需要對(duì)寄存器進(jìn)行配置。完成系統(tǒng)初始化和寄存器配置后就可以進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)的采集，本文采用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每一次模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后需要40個(gè)SCLK讀轉(zhuǎn)換結(jié)果，其中前8個(gè)SCLK 用于清SDO標(biāo)志，后32個(gè)SCLK用于讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。采集和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果存放在24的轉(zhuǎn)換寄存器中，然后通過對(duì)A/D讀數(shù)據(jù)操作取出并進(jìn)行后續(xù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理程序設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)的電子天平具有較高的精度要求，因此為了減少測(cè)量數(shù)據(jù)受到各種因素干擾，提高電子天平的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，需要對(duì)由CS5532轉(zhuǎn)換輸出得到的稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。本文對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)的預(yù)處理算法主要采用去干擾平均濾波算法和快速穩(wěn)定算法。

A/D測(cè)量數(shù)據(jù)采用連續(xù)轉(zhuǎn)換的方式，因此存在大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)電子天平的設(shè)計(jì)需要，采用基于去極值平均濾波和移動(dòng)平均濾波2種數(shù)字濾波算法的去干擾平均濾波算法。根據(jù)去極值平均濾波和移動(dòng)平均濾波的特點(diǎn)，在移動(dòng)平均濾波之前加上去極值平均濾波作為適用于本設(shè)計(jì)中電子天平的去干擾平均濾波算法，既克服了去極值平均濾波數(shù)據(jù)更新慢的缺點(diǎn)，也保證了移動(dòng)平均濾波對(duì)隨機(jī)性干擾有良好的抑制作用。

具體實(shí)現(xiàn)為：進(jìn)行去極值平均濾波。首先進(jìn)行N次連續(xù)A/D數(shù)據(jù)采樣，根據(jù)所設(shè)定稱量結(jié)果顯示速度不同以及設(shè)定的靈敏度，N的取值為10、20、30、40共4個(gè)等級(jí)，其中10次采樣為顯示速度最快，靈敏度最高。然后對(duì)N次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行去極值平均濾波，去除N次采樣中的(N/5)個(gè)誤差較大值，對(duì)于不同的N值，去除的采樣值個(gè)數(shù)不同。最后對(duì)剩下的采樣值進(jìn)行求平均得到一個(gè)去極值平均濾波的測(cè)量值yn(n表示第n次去極值平均濾波的采樣值)。

4 軟件測(cè)試

由于電子天平整體硬件電路系統(tǒng)比較復(fù)雜，難以調(diào)試，因此本文通過搭建簡(jiǎn)單的MSP430單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)所設(shè)計(jì)的軟件程序主要功能進(jìn)行測(cè)試以檢驗(yàn)是否滿足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試內(nèi)容主要包括A/D數(shù)據(jù)采集與處理程序、液晶屏顯示以及菜單管理操作程序的實(shí)現(xiàn)等。

首先根據(jù)電子天平A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量原理建立A/D測(cè)量電路；其次利用現(xiàn)有的MSP430最小系統(tǒng)以及液晶顯示模塊和按鍵模塊搭建軟件測(cè)試硬件電路；然后在IAR Embedded Workbench環(huán)境中利用USB型MSP430仿真器進(jìn)行FET Debugger聯(lián)機(jī)調(diào)試，單片機(jī)和仿真器通過JTAG口連接，將所編寫的源程序先下載到Flash ROM中；最后在單片機(jī)中實(shí)時(shí)運(yùn)行程序，同時(shí)在調(diào)試時(shí)可以實(shí)時(shí)查看程序運(yùn)行狀態(tài)以及各端口、寄存器和變量的值。進(jìn)行測(cè)試之前，需要對(duì)調(diào)試環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，選擇相應(yīng)的單片機(jī)和仿真器類型，設(shè)置完成后就可以開始對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試。

點(diǎn)擊運(yùn)行程序，初始化完成后液晶屏顯示全部字符。在稱量狀態(tài)下按下開機(jī)鍵進(jìn)入菜單設(shè)置界面，通過去皮鍵可以選擇設(shè)置不同的選項(xiàng)，校準(zhǔn)鍵進(jìn)入下級(jí)菜單，從而能夠?qū)Σ煌墓δ苓M(jìn)行具體的測(cè)試。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前高精度電子天平軟件功能單一、數(shù)據(jù)處理算法簡(jiǎn)陋等缺點(diǎn)，通過分析電子天平的軟件設(shè)計(jì)需求，對(duì)電子天平系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的原則，完成了基于MSP430單片機(jī)的電子天平軟件程序設(shè)計(jì)，為電子天平系統(tǒng)設(shè)計(jì)了豐富的應(yīng)用功能，同時(shí)為了提高了電子天平的測(cè)量精度，彌補(bǔ)硬件電路的不足，設(shè)計(jì)了測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件算法，并利用現(xiàn)有的電磁力平衡傳感器系統(tǒng)，搭建了MSP430最小系統(tǒng)和A/D數(shù)據(jù)采集電路，對(duì)所設(shè)計(jì)的電子天平的軟件程序進(jìn)行測(cè)試，通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的軟件程序可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。