使用MM32L0130和HYS1254的電子秤方案驗(yàn)證

引言

NPI提了需求，需要驗(yàn)證使用友商SDADC芯片和MM32L0130微控制器集成的一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用方案。

本文參考 CN-0216 Precision Weigh Scale Design 方案對使用MM32L0130和HYS1254的應(yīng)用方案進(jìn)行驗(yàn)證，使用靈動微電子MM32L0130微控制器、健芯半導(dǎo)體的HYS1254高精度24位分辨率的Sigma Delta ADC，以及圣邦微電子SGM8967-1運(yùn)放前端，實(shí)現(xiàn)了高精度電子秤的方案，記錄了嘗試使用各種方法消除采樣值抖動問題，總結(jié)了目前驗(yàn)證過程中遇到的問題。

只是比較遺憾，最終驗(yàn)證方案性能未達(dá)預(yù)期，有點(diǎn)小小的翻車。。。

電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電子秤方案系統(tǒng)，使用了搭載MM32L0136C7P微控制器的EVB-L0136開發(fā)板，使用HYS1254 SDADC構(gòu)成的采樣電路采集來自壓力傳感器輸出的電信號，實(shí)現(xiàn)測量壓力的功能，以演示高精度ADC的分辨率。如圖x所示。試想，能不能測量風(fēng)吹過的感覺呢？

figure-system-arch-diagram
圖x 電子秤原型系統(tǒng)框圖

設(shè)計(jì)稱重信號采集電路，如圖x電路，使用了HYS1254 SDADC和SGM8967-1運(yùn)放前端兩個(gè)主要的分立元件搭建而成。

figure-hys1254-schmatic
圖x HYS1254及采樣電路

根據(jù)HYS1254手冊中的建議，在采樣電路中使用OPA350UA/2K5向HYS1254提供4.096V的參考電壓ADC_VERF，如圖x所示：

figure-OPA350UA-schmatic
圖x 使用OPA350UA/2K5的參考電壓源電路

最終搭建電路系統(tǒng)實(shí)物

軟件設(shè)計(jì)

采集HYS1254數(shù)據(jù)

根據(jù)HYS1254數(shù)據(jù)手冊中對傳輸ADC采樣值的數(shù)字通信信號時(shí)序描述，如圖x所示。

figure-hys1254-signal-timing-seq
圖x HYS1254讀數(shù)信號時(shí)序圖

這里特別注意，MCU每次使用引腳中斷捕獲到DRDY的下降沿（一次ADC轉(zhuǎn)換完成）后，需要等一段時(shí)間，才能由MCU驅(qū)動SCLK時(shí)鐘，從DOUT引腳串行捕獲ADC采樣結(jié)果的值。

使用GPIO模擬時(shí)序，實(shí)現(xiàn)讀取一次采樣值代碼如下：

/* read a sample value from hys1254. */  
int32_t app_hys1254_read_adc_value_raw(void)  
{  
    int32_t adc_val = 0;  
  
    /* wait to enter hys1254 data cycle. */  
    for (uint32_t delay = (CLOCK_SYS_FREQ / APP_ADC_CLK_FREQ)*2; delay > 0; delay--)  
    {  
        __NOP();  
    }  
  
    /* read data. */  
    for (uint32_t i = 24; i; i--)  
    {  
        adc_val < <= 1;  
        adc_val |= (GPIOB- >IDR & BOARD_ADC_SDA_PIN) != 0;  
        BOARD_ADC_SCK_PORT- >BSRR = BOARD_ADC_SCK_PIN;  
        __NOP();  
        BOARD_ADC_SCK_PORT- >BRR = BOARD_ADC_SCK_PIN;  
        __NOP();  
    }  
  
    if (0u != (adc_val & 0x800000))  
    {  
        adc_val |= 0xFF000000;   
    }  
  
    return adc_val;  
}

這里根據(jù)HYS1254數(shù)據(jù)輸出的時(shí)序特征，使用外部中斷下降沿觸發(fā)的方式讀取HYS1254輸出的數(shù)據(jù)讀取，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

/* prepare to read the hys1254. */  
void app_hys1254_init(void)  
{  
    /* init MCO to provide clock. */  
    CLOCK_MCO_1MHz();  
  
    /* init exti to get data. */  
    SYSCFG_SetExtIntMux(BOARD_SYSCFG_EXTIPORT, BOARD_SYSCFG_EXTI_LINE);  
    EXTI_EnableLineInterrupt(BOARD_EXTI_PORT, BOARD_EXTI_LINE, true);  
    EXTI_SetTriggerIn(BOARD_EXTI_PORT, BOARD_EXTI_LINE, EXTI_TriggerIn_FallingEdge);  
    NVIC_EnableIRQ(EXTI15_4_IRQn);  
}  
  
void EXTI15_4_IRQHandler(void)  
{  
    uint32_t flags = EXTI_GetLineStatus(EXTI);  
    if ( 0u != ( flags & BOARD_EXTI_LINE ) ) /* interrupts. */  
    {  
        hys1254_adc_raw_fifo_buff[hys1254_adc_raw_fifo_index] = app_hys1254_read_adc_value_raw();  
        hys1254_adc_raw_fifo_index = (hys1254_adc_raw_fifo_index+1) % HYS1254_ADC_RAW_FIFO_LEN;  
    }  
    EXTI_ClearLineStatus(EXTI, flags);  
}

其中，使用hys1254_adc_raw_fifo_buff[]作為窗口緩沖區(qū)，緩存最近若干個(gè)（由HYS1254_ADC_RAW_FIFO_LEN指定）ADC的原始采樣結(jié)果。

軟件濾波算法

在直接使用采樣原始值作為結(jié)果輸出時(shí)，發(fā)現(xiàn)壓力傳感器在未稱重物的情況下，持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)，采集采樣電路輸出的ADC數(shù)值偏差過大，這里使用了滑動窗口+中段數(shù)據(jù)均值濾波法來嘗試消除采樣值的抖動問題，實(shí)現(xiàn)原理為每采樣128次值后對這128次采樣值進(jìn)行升序排序，然后舍去前段和后段的數(shù)據(jù)，取剩余的中間段的數(shù)據(jù)求平均值作為一次采樣結(jié)果。有代碼如下所示：

int32_t app_hys1254_get_adc_value_filted(int32_t * out_buff)  
{  
    /* sequencilize. */  
    app_bubble_sort(out_buff, HYS1254_ADC_RAW_FIFO_LEN);  
      
    /* scoll the data into the filter window. */  
    int64_t sum_64 = 0;  
    for (uint32_t i = HYS1254_ADC_RAW_FIFO_LEN/4u; i < HYS1254_ADC_RAW_FIFO_LEN-(HYS1254_ADC_RAW_FIFO_LEN/4); i++)  
    {  
        sum_64 += out_buff[i];  
    }  
    sum_64 /= (HYS1254_ADC_RAW_FIFO_LEN/2u);  
      
    return (int32_t)sum_64;  
}

換算壓力為ADC采樣值

實(shí)驗(yàn)中使用了HX711壓力傳感器套裝的壓力傳感器模塊。

關(guān)于壓力傳感器模塊，需要關(guān)注技術(shù)指標(biāo)為：量程、接線方式、供電電壓、輸出靈敏度。實(shí)驗(yàn)中，使用的是5kg量程傳感器，靈敏度1.0mV/V，供電電壓5V，對應(yīng)滿量程輸出電壓（輸出最大電壓值）= 靈敏度 * 供電電壓 = 5mV，即在傳感器托盤上放置5kg的重物對應(yīng)輸出5mV。傳感器的參數(shù)清單，如圖x所示。

figure-hx711-pressure-sensor-spec
圖x 壓力傳感器參數(shù)指標(biāo)清單

在軟件中，將HYS1254的采集值與最終的稱重值成正比，在實(shí)際轉(zhuǎn)換為稱重值時(shí)，需要HYS1254采樣值除以一個(gè)系數(shù)，而該系數(shù)將由試湊法，通過用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行校驗(yàn)（俗稱“去皮”），也可通過理論值進(jìn)行計(jì)算。在應(yīng)用工程中，已經(jīng)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換代碼。

volatile int32_t app_weight_base = 0;  
volatile int32_t app_weight_current = 0;  
volatile float adc_factor = 740;  
  
int main(void)  
{  
    ...  
    while (1)  
    {  
        ...  
        app_slcd_display((float)(app_weight_current- app_weight_base)/adc_factor);  
    }  
}

其中，adc_factor變量即為可調(diào)整的比例系數(shù)，app_weight_base為“去皮”的基準(zhǔn)采樣值。

實(shí)驗(yàn)過程

數(shù)據(jù)可視化

為直觀的分析和觀察實(shí)時(shí)采集到的HYS1254輸出的數(shù)據(jù)，這里使用了FreeMaster軟件觀察MCU中記錄濾波前的全局變量app_hys1254_adc_raw_fifo_current[0]和濾波后全局變量 app_hys1254_value_filted，如圖x所示。

figure-sdadc-data-visualization-with-freemaster
圖x 對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器相對靜止的狀態(tài)下，在同一狀態(tài)下連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)，觀察采集得到的各個(gè)24位采樣值之間的后13位一直在不斷波動，每次得到的采樣結(jié)果波動過大，無法精確實(shí)現(xiàn)克單位級別細(xì)粒度的測量。

優(yōu)化電路

在分析ADC采樣值不穩(wěn)定的原因時(shí)，意外碰到ADC模塊之間的物理連接線，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的界面受到了很明顯的影響，波形抖動幅度甚至達(dá)到了5g砝碼對傳感器產(chǎn)生的影響。由此可判定電路之間的連接線對模擬信號影響頗大。在實(shí)驗(yàn)中采取的應(yīng)對措施是，縮短ADC采集電路與壓力傳感器之間的連線，將之前由杜邦線連接改為將壓力傳感器引出的線直接焊接在ADC采集電路板中，如圖x所示。

按照上述條件，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)波動有明顯改善。但是，數(shù)據(jù)波動仍然明顯。

使用軟件濾波

實(shí)驗(yàn)中，使用MCU在向HYS1254提供8MHz的時(shí)鐘源，獲得20.833kHz的采樣率，未使用濾波，和使用滑動窗口+中段數(shù)據(jù)均值濾波后，有采樣波形，如圖x所示。

觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用軟件濾波算法前后所得到的數(shù)據(jù)，通過比較采樣期間得到的最大最小值之間的差值可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)波動雖有改善但仍然有較大的波動，對最終的獲得精確稱重效果無明顯改善，即24位采樣值中，在電子秤保持靜止?fàn)顟B(tài)下，數(shù)值波動最大最小值在經(jīng)過濾波后的波動差在 5689 ，即至少24位的采樣值其中的后13位（8192）在波動，未實(shí)現(xiàn)克單位級別的測量。

降低ADC的采樣速率

閱讀SDADC的數(shù)據(jù)手冊發(fā)現(xiàn)，降低ADC采樣頻率至低速，有助于提高ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確度。故在本實(shí)驗(yàn)中調(diào)整SDADC芯片的工作頻率，進(jìn)而降低ADC轉(zhuǎn)換的頻率。

在向HYS1254提供1MHz的時(shí)鐘源，獲得2.604kHz的采樣率后的采樣結(jié)果：

使用1MHz的時(shí)鐘源獲得2.604kHz的采樣率，相對于之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，降低采樣率是可以在一定程度上減小波動，但采集出來的數(shù)據(jù)波動仍然過大，未滿足穩(wěn)定測量1克單位級別細(xì)粒度的要求。

使用獨(dú)立的供電電源

進(jìn)一步分析系統(tǒng)噪聲可能來自于電源，因此分別使用DCDC充電器和電池作為整個(gè)系統(tǒng)的電源，驗(yàn)證電源對應(yīng)用系統(tǒng)中ADC采樣精度的影響。

• 使用使用手機(jī)電源適配器（MDY-08-ES，5V3A）供電。在向HYS1254提供1MHz的時(shí)鐘源，獲得2.604kHz的采樣率后的采樣結(jié)果：

• 使用干電池供電（3節(jié)南孚5號電池，4.5V供電），在向HYS1254提供1MHz的時(shí)鐘源，獲得2.604kHz的采樣率后的采樣結(jié)果：

按照上述條件，進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)波動改善不明顯。

再次調(diào)整濾波算法

在向HYS1254提供1MHz的時(shí)鐘源，獲得2.604kHz的采樣率。由每組采集128次增加到每組采集256次再進(jìn)行濾波，有采樣結(jié)果，如圖x所示。

由上述數(shù)據(jù)可知，增大每組的采樣次數(shù)到256次，再進(jìn)行中段數(shù)據(jù)均值濾波后，數(shù)值波動最大最小值在經(jīng)過濾波后的波動差在5689 ，即至少24位的采樣值其中的后12位（4096）仍在波動，未能實(shí)現(xiàn)克單位級別的測量，未實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。

驗(yàn)證總結(jié)

本次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用以HYS1254為主要器件的分立元件構(gòu)成的SDADC采樣方案結(jié)果波動過大，暫未實(shí)現(xiàn)1克細(xì)粒度的壓力測量，即在壓力傳感器相對靜止的狀態(tài)下連續(xù)一段時(shí)間采樣得到的各個(gè)24位采樣值之間相互的后13位一直在不斷波動的，通過使用縮短模擬信號連接導(dǎo)線、使用軟件濾波、降低采樣率，以及使用獨(dú)立電源供電的方法嘗試優(yōu)化，均未明顯改善的測量結(jié)果。

本文對此次驗(yàn)證過程的梳理記錄總結(jié)，為接下來進(jìn)一步的分析實(shí)驗(yàn)和定位問題提供參考。

后續(xù)可能有一些新思路繼續(xù)改善靜態(tài)采樣數(shù)據(jù)波動問題：

• 進(jìn)一步使用理想信號源，搞不好本方案中用到的大路貨壓力傳感器也不是很靈敏。
• 優(yōu)化采樣電路設(shè)計(jì)。SDADC和分立的運(yùn)放前端配合，中間的模擬信號通路容易受到外界干擾。市面上常規(guī)的設(shè)計(jì)方案，絕大多數(shù)是將SDADC和AFE合并在一起。甚至可以將MCU和SDADC采樣電路合封在一起，最大化縮短信號鏈的物理傳輸路徑。另外，很多集成SDADC的SoC中同時(shí)也集成了硬件SINC濾波器模塊。
• 在軟件算法方面，考慮到MM32L0130的片上資源和算力有限，尚未進(jìn)行更多的數(shù)據(jù)濾波算法實(shí)現(xiàn)，后期可設(shè)計(jì)通過二階或多階濾波，也可通過進(jìn)一步降低采樣率到kHz或Hz級別，并將每組的采樣個(gè)數(shù)進(jìn)一步地增大，如增大到512或者是1024個(gè)采樣值作為一組值求平均，來嘗試獲取穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。