電子天平硬件系統(tǒng)的任務(wù)是驅(qū)動并獲取DETF傳感器輸出頻率信號，對其進行精確測頻并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)重量值; 設(shè)計用戶接口模塊，如按鍵、顯示
屏實現(xiàn)重量值的顯示與天平功能的操作; 設(shè)計各類系統(tǒng)接口，如USB 接口、UAＲT 串口等，用于實現(xiàn)與上位機的通信與信息管理�；谝陨弦螅疚牟捎镁邆漭^強功能內(nèi)嵌計數(shù)器模塊的AＲM Cortex 控制內(nèi)核的STM32F103ＲBT6 單片機為控制核心，該單片機功能較強，價格合理，采用QFP64 封裝形式易于焊接安裝，并方便進行各類接口與功能擴展。
32 位AＲM CortexTM － M3 CPU 內(nèi)核的高性能STM32F103ＲBT6 微控制器片內(nèi)具有128 KBFLASH 存儲器與20 KB SＲAM 空間、4 個增強型定
時器、多個增強型I /O 口與通信接口，其片上硬件資源豐富，程序與內(nèi)存空間豐富，并可提供大多數(shù)的通用接口，STM32F103ＲBT6 的這些特性，使得由其所構(gòu)建的智能儀器硬件得到極大簡化。為實現(xiàn)對電子天平的遠程控制、數(shù)據(jù)設(shè)置與組網(wǎng)管理，本系統(tǒng)利用STM32F103ＲBT6 內(nèi)部接口資源設(shè)計了UAＲT、USB、CAN 等接口，利用網(wǎng)絡(luò)接口芯片進行了以太網(wǎng)接口設(shè)計使得電子天平可以方便成為個在線輸入設(shè)備。系統(tǒng)利用片上I /O 口直接進行了鍵盤與LCD 顯示屏驅(qū)動設(shè)計。
在電源設(shè)計與信號采集時則充分考慮使用現(xiàn)場的復雜性干擾性，進行了諸如為各工作模塊配備獨立電源、外接光耦隔離、核心控制模塊抗電磁干擾等針對性設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計了個DEFT 傳感器驅(qū)動與信號采集電路，該電路用于獲取音叉諧振頻率輸出，DETF 諧振信號經(jīng)放大整形后輸出的是矩形波，可以直接與單片機相連，易于測頻。本文作者利用STM32 單片機內(nèi)嵌的高性能AＲM 核計數(shù)器進行測頻，待測信號經(jīng)個可預設(shè)分頻數(shù)的分頻模塊后其下降邊沿用作計數(shù)啟停信號，計數(shù)基準脈沖則采用頻率較高的控制器系統(tǒng)時鐘，可以充分提高測頻精度。T1、T2 引腳連接雙端固定音叉臂上面的壓電片，并與運放電路形成個閉環(huán)的諧振電路，該電路輸出的正弦波形經(jīng)放大整形轉(zhuǎn)換為矩形波送入單片機用作測頻啟停信號源，該諧振電路無需外部激勵信號，避免了外部激勵信號對諧振頻率的影響。
3 電子天平軟件設(shè)計
電子天平系統(tǒng)軟件設(shè)計包括電子天平下位機功能實現(xiàn)，以及上位機程序設(shè)計。隨著稱重應(yīng)用的不斷擴展，智能控制系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對電子天平數(shù)
據(jù)獲取的服務(wù)越來越多，上位機程序設(shè)計的主要任務(wù)即是通過UAＲT 串口、USB 接口、CAN 接口或網(wǎng)絡(luò)接口，實時獲取電子天平稱重數(shù)據(jù)。
電子天平下位機功能實現(xiàn)主要為重量測定與顯示、各類天平功能操作，以及對上位機提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。高精度電子天平在測重時應(yīng)充分考慮
數(shù)字濾波、線性化糾正、漂移補償、超重判斷等處理; 各類天平功能主要包括皮重扣除、單位換、計數(shù)功能等; 上位機數(shù)據(jù)支撐主要提供各類接口的數(shù)據(jù)上傳與設(shè)置及指令接收等功能。電子天平下位機程序流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)通過定時中斷定時啟動測頻進程，設(shè)置定時器進行測頻計數(shù)處理，待測頻計數(shù)結(jié)束后啟動數(shù)據(jù)處理進程，進行數(shù)字濾波等各類操作，并保存重量數(shù)據(jù)供其他任務(wù)使用。
4 數(shù)字濾波處理算法
在高測量精度要求的電子天平里，由于各類噪聲及系統(tǒng)自身的不確定性等原因，直接采用傳感器輸出信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換所獲得的重量內(nèi)碼般難于達到測量精度要求。DETF 天平在實際測量時，會受到自身系統(tǒng)噪聲、隨機噪聲與粗大噪聲的影響，其中系統(tǒng)噪聲與隨機噪聲般呈正態(tài)分布，具體表現(xiàn)為在重復稱量同物體時其示值誤差呈正態(tài)分布規(guī)律。粗大誤差般是由于受到環(huán)境突然性影響所導致的，比較典型的有周期性外部干擾源、短持續(xù)時間沖擊干擾源等，這些干擾源將對示值產(chǎn)生較大的偏離影響。
個實用的電子天平在測量時般要求具備以下3 個特性: 真實性、穩(wěn)定性、靈敏性。即要求測量結(jié)果能真實對應(yīng)待測物體、稱重示值穩(wěn)定、稱重
反應(yīng)靈敏。同時由于電子天平大多采用單片機之類的控制核心，程序復雜度不能太高。為達到實用測量目的，高精度電子天平的濾波處理目的是在保證測量正確性的前提下盡量消除上述噪聲對稱量造成的影響。針對正態(tài)分布的隨機噪聲與系統(tǒng)噪聲，采用低運算復雜度的滑動均值處理即可得到較好的濾波效果，其信噪比改善比率可達槡N ，實用時，N 般取8、16、24。N 的取值取決于系統(tǒng)的要求，N 取值越大，則濾波效果越好，但靈敏度即示值反應(yīng)速度降低，同時增加硬件存儲資源需求量。針對周期性噪聲，可采用的方法為均值濾波或中值濾波。窄脈沖粗大噪聲般是單向或雙向短持續(xù)時間擾動，般可采用中值濾波處理。當均值濾波中的點數(shù)N 較大時，測量靈敏度將大大降低。
3 電子天平軟件設(shè)計
電子天平系統(tǒng)軟件設(shè)計包括電子天平下位機功能實現(xiàn)，以及上位機程序設(shè)計。隨著稱重應(yīng)用的不斷擴展，智能控制系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對電子天平數(shù)
據(jù)獲取的服務(wù)越來越多，上位機程序設(shè)計的主要任務(wù)即是通過UAＲT 串口、USB 接口、CAN 接口或網(wǎng)絡(luò)接口，實時獲取電子天平稱重數(shù)據(jù)。
電子天平下位機功能實現(xiàn)主要為重量測定與顯示、各類天平功能操作，以及對上位機提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。高精度電子天平在測重時應(yīng)充分考慮
數(shù)字濾波、線性化糾正、漂移補償、超重判斷等處理; 各類天平功能主要包括皮重扣除、單位切換、計數(shù)功能等; 上位機數(shù)據(jù)支撐主要提供各類接口的數(shù)據(jù)上傳與設(shè)置及指令接收等功能。電子天平下位機程序流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)通過定時中斷定時啟動測頻進程，設(shè)置定時器進行測頻計數(shù)處理，待測頻計數(shù)結(jié)束后啟動數(shù)據(jù)處理進程，進行數(shù)字濾波等各類操作，并保存重量數(shù)據(jù)供其他任務(wù)使用。
4 數(shù)字濾波處理算法
在高測量精度要求的電子天平里，由于各類噪聲及系統(tǒng)自身的不確定性等原因，直接采用傳感器輸出信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換所獲得的重量內(nèi)碼般難于達到測量精度要求。DETF 天平在實際測量影響，其中系統(tǒng)噪聲與隨機噪聲般呈正態(tài)分布，具體表現(xiàn)為在重復稱量同物體時其示值誤差呈正態(tài)分布規(guī)律。粗大誤差般是由于受到環(huán)境突然性影響所導致的，比較典型的有周期性外部干擾源、短持續(xù)時間沖擊干擾源等，這些干擾源將對示值產(chǎn)生較大的偏離影響。
個實用的電子天平在測量時般要求具備以下3 個特性: 真實性、穩(wěn)定性、靈敏性。即要求測量結(jié)果能真實對應(yīng)待測物體、稱重示值穩(wěn)定、稱重
反應(yīng)靈敏。同時由于電子天平大多采用單片機之類的控制核心，程序復雜度不能太高。為達到實用證測量正確性的前提下盡量消除上述噪聲對稱量
造成的影響。針對正態(tài)分布的隨機噪聲與系統(tǒng)噪聲，采用低運算復雜度的滑動均值處理即可得到較好的濾波效果，其信噪比改善比率可達槡N ，實用時，N 般取8、16、24。N 的取值取決于系統(tǒng)的要求，N 取值越大，則濾波效果越好，但靈敏度即示值反應(yīng)速度降低，同時增加硬件存儲資源需求量。針對周期性噪聲，可采用的方法為均值濾波或中值濾波。窄脈沖粗大噪聲般是單向或雙向短持續(xù)時間擾動，般可采用中值濾波處理。當均值濾波中的點數(shù)N 較大時，測量靈敏度將大大降低，故為為檢測根據(jù)本文所述方案設(shè)計天平的實際測量精度，作者通過大量的實驗測試，結(jié)果表明，本文所設(shè)計的DETF 電子天平在量程為2000 g 時，可以達到0． 01 g 的可靠測量精度，10 次重復誤差偏差在1 個分度之內(nèi)，重量荷載變化時反應(yīng)速度快，經(jīng)4 ～ 10 個采樣點左右即可觀察到示值變化，并能可靠消除如敲擊桌面、天平盤面，以及般外部周期性震動干擾。以上各稱量指標也已獲得第三方機構(gòu)檢測認證。
為進步提高系統(tǒng)測量精度，消除系統(tǒng)長時間運行及溫度變化所產(chǎn)生的漂移造成的誤差趨大的問題［8］，本文作者進行了雙端固定音叉?zhèn)鞲衅鞯?
改造，在其上制作了個與重量無關(guān)的參考音叉，由于該音叉與稱重音叉位處同片金屬片上，受到的溫度影響與噪聲影響兩者有極大的相關(guān)性，故通過檢測參考音叉的信號，利用自相關(guān)型濾波處理可以得到極佳的測量效果。
