摘要:針對玻璃配料過程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型稱重控制器。控制器采用了數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320F2812 作為控制核心，利用DSP 運(yùn)算能力強(qiáng)、片內(nèi)功能豐富的特點(diǎn)，簡化了電路設(shè)計(jì)，提高了稱重檢測精度。該控制器結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)算速度快，控制精度高，具有開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。
1 引言
在玻璃行業(yè)中， 通過電振機(jī)或絞龍電機(jī)供料是技術(shù)成熟并被廣泛采用的方法， 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單控制方便。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的稱重控制器大多以傳統(tǒng)單片機(jī)為核心。相對傳統(tǒng)單片機(jī)， 數(shù)字信號處理器在實(shí)時(shí)性，高速運(yùn)算等方面的優(yōu)勢巨大，將逐步成為工業(yè)控制的主流選擇。本設(shè)計(jì)針對玻璃配料過程中存在的稱重精度不高， 自動化程度不高等問題， 采用了高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812（F2812）作為核心器件。控制器在設(shè)計(jì)了友好人機(jī)界面的基礎(chǔ)上，專門設(shè)計(jì)了與F2812內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器相匹配的放大電路，并在A/D 采樣過程中加入了采樣校準(zhǔn)的方法，保證采樣數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確;采取數(shù)字濾波方法處理采樣數(shù)據(jù)，濾除采樣數(shù)據(jù)中的干擾。
2 配料系統(tǒng)工作流程
玻璃配料系統(tǒng)一般包括稱重控制器、備料斗、計(jì)量斗和相關(guān)動力裝置。備料斗用來存儲一定量的待測物料， 備料斗下方的出料口由電振機(jī)的驅(qū)動， 通過改變電振機(jī)的振動速度可以改變備料斗的出料的速度。備料斗下方是計(jì)量斗，它是一個放置在稱重傳感器上的懸浮容器，控制器通過解讀傳感器的數(shù)據(jù)得到計(jì)量斗內(nèi)的物料質(zhì)量。
當(dāng)開始稱重過程時(shí)， 稱重控制器發(fā)出控制信號， 備料斗開始快速下料， 物料進(jìn)入計(jì)量斗后， 由計(jì)量斗下方的傳感器測得重量信號， 信號經(jīng)處理還原為物料的重量。控制器自動比較當(dāng)前的物料重量與目標(biāo)重量的偏差，當(dāng)偏差值E 縮小到一定范圍時(shí)(如10%，即達(dá)到目標(biāo)重量的90％)，發(fā)出信號并驅(qū)動備料斗進(jìn)行慢速下料，使測得的重量值變化減緩，有利于精確控制。每當(dāng)控制器發(fā)出停止加料信號時(shí)，會有一定量的物料剛剛脫離電振機(jī)出口正在下落(即“飛料”)，使最終稱得的物料重量要大于系統(tǒng)判定的目標(biāo)重量。一般采取的解決辦法是在達(dá)到目標(biāo)值之前提前停止加料， 等待“飛料”落下， 待檢測值穩(wěn)定后，控制器再進(jìn)行偏差值的判斷并進(jìn)行下一步的控制(即點(diǎn)動加料模式)， 直至重量達(dá)到目標(biāo)值。然后控制器發(fā)出信號， 打開計(jì)量斗排出稱重完畢的物料，完成一次稱重控制過程。結(jié)合以上工作過程控制器設(shè)計(jì)如下。
3 控制器硬件實(shí)現(xiàn)
控制器硬件框圖由圖1 給出， 主要由F2812、信號調(diào)理電路、顯示/ 鍵盤模塊、串口通信模塊組成。F2812作為一款32 位的數(shù)字信號處理器， 采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，計(jì)算能力強(qiáng)，最高運(yùn)行速度達(dá)到150MIPS，能夠處理包括稱重控制和軟件濾波等多種算法;內(nèi)部包括128KB 的閃存(FLASH)和128KB 的只讀存貯器(ROM)，存儲空間大可滿足大部分程序設(shè)計(jì)要求;支持45 個外圍中斷， 響應(yīng)迅速，方便子程序的快速調(diào)用;片上集成了12 位A/D轉(zhuǎn)換器，能夠快速地進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不必增加額外的硬件;具有兩個串行通信接口(SCI)以及一個串行外圍接口(SPI)，可簡化通訊接口設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)緊湊。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖。
3.1 信號調(diào)理電路
圖2 放大電路原理圖。
信號調(diào)理電路主要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換前的信號的濾波和放大， 由于本設(shè)計(jì)采取軟件濾波， 所以主要考慮信號的放大問題。在現(xiàn)場應(yīng)用中，以10V 電壓激勵靈敏度為2mV/V 的稱重傳感器，其滿量程輸出信號電壓為20mV。F2812 內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0-3V，所以必須設(shè)置放大電路。設(shè)計(jì)采用由3 個運(yùn)算放大器組成的儀用放大電路(圖2)。電路中左側(cè)兩個OP07 組成第一級差分放大電路，右側(cè)OP07 為第二級差分放大， 調(diào)節(jié)1k Ω可變電阻即可調(diào)節(jié)電路的增益。經(jīng)計(jì)算要使增益調(diào)節(jié)達(dá)到15 0 倍，需要將可變電阻R 調(diào)節(jié)到1.33 Ω。采用此種電路輸入阻抗高，共模抑制比高。為了防止意外情況下輸入電壓超過DSP 的工作電壓而損壞芯片，在信號輸入DSP 引腳之前還需外接一個3V 的穩(wěn)壓管。
3.2 A/D 轉(zhuǎn)換與采樣校準(zhǔn)
A/D 轉(zhuǎn)換的精度將很大程度上決定稱重控制器的精度。本設(shè)計(jì)采用F2812 自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這樣可以在達(dá)到控制器所要求轉(zhuǎn)換精度的基礎(chǔ)上簡化電路設(shè)計(jì)。
增益誤差和偏移誤差是影響A/D 轉(zhuǎn)換精度的主要因素。增益誤差是指實(shí)際傳輸函數(shù)的斜率與理想傳輸函數(shù)的斜率的差別;偏移誤差是指輸入為零時(shí)實(shí)際輸出與零的偏差。本設(shè)計(jì)采用了采樣校準(zhǔn)的方法補(bǔ)償增益誤差和偏移誤差。F2812 的一組A/D 轉(zhuǎn)換單元內(nèi)8 個通道之間的誤差典型值小于0.2%，通過采樣另外2 個采樣通道的已知參考電壓H x 、L x ， 得出A / D 轉(zhuǎn)換結(jié)果H y 、L y ，再利用求解線形方程組的原理計(jì)算出增益誤差和偏移誤差，然后計(jì)算出較精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。y 為待校正量， 則校正后的結(jié)果x 可由式1 表示:
F2812 芯片本身設(shè)計(jì)有A/D 轉(zhuǎn)換采樣校準(zhǔn)的參考電壓，分別由ADCREFP、ADCREFM 引腳輸出，電壓分別為2V、1V。使用時(shí)外接10 μ F 的低等效串連電阻陶瓷旁路電容到地，可直接使用。但是其電壓輸出精度有限，所以另外設(shè)計(jì)了參考電壓生成電路[6]，電路示意圖如圖3 。其中A0、A6、A7 為同一組A/D 轉(zhuǎn)換通道的三個輸入腳。A0 為待測模擬信號輸入引腳，A6、A7 為已知電壓信號的輸入引腳。為了盡量減少了數(shù)字電路對模擬電路的干擾，本設(shè)計(jì)在PCB 布局時(shí)將ADCINxx 引腳模擬線遠(yuǎn)和數(shù)字信號線分開放置，并將A/D 模塊的功率引腳線所連的電源和地與數(shù)字電源和地分開放置。
圖3 A/D 采樣校準(zhǔn)參考電源示意圖。
3.3 鍵盤和數(shù)碼管驅(qū)動電路
稱重控制器的人機(jī)交互通過6 位LED 數(shù)碼管和3 ×4 矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)。3 × 4 矩陣鍵盤中的10 個鍵對應(yīng)數(shù)字0 至9，外加一個“確定鍵”和一個“功能鍵”。數(shù)碼管和按鍵較多會不利于使用軟件控制，所以采用數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤控制芯片CH451 來檢測按鍵和驅(qū)動數(shù)碼管。
CH451 是一款集數(shù)碼管顯示驅(qū)動、鍵盤掃描控制于一體的多功能外圍芯片， 可以方便地與D S P 組成系統(tǒng)。
CH451 通過復(fù)用DIGx 和SEGx 引腳，定期在顯示驅(qū)動掃描過程中插入鍵盤掃描。數(shù)碼管的個數(shù)決定需要使用SEG0-SEG7 的8 個引腳和DIG0-5 的6 個引腳。矩陣鍵盤的結(jié)構(gòu)為3 行4 列，設(shè)計(jì)使用SEG0-3 這4 個引腳與DIG0-2 這3 個引腳。DCLK、DIN、LOAD 和DOUT管腳連接F2812 對應(yīng)管腳，具體硬件連接圖見圖4。
圖4 CH451 接口電路：
為了便于遠(yuǎn)程監(jiān)控， 稱重控制器設(shè)計(jì)有串行通信接口[8]。設(shè)計(jì)利用主控芯片F(xiàn)2812上自帶的兩個全雙工SCI(Serial Communication Interface，串行通信接口)完成。
RS232 標(biāo)準(zhǔn)定義邏輯“1”信號相對于地為3V 至25V，而邏輯“0”相對于地為－ 3V 至－ 25V。所以需要一個RS232 驅(qū)動器來轉(zhuǎn)換電平，本設(shè)計(jì)采用MAX3250 芯片。
MAX3250 是一款支持3.0v 到5.5v 輸入電壓的串口通訊芯片， 具有兩路串口通信能力。該芯片使用簡單， 電路連接圖便不再給出。
4 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要在CCS 軟件下由C語言設(shè)計(jì)完成。主程序流程圖由圖5 表示。程序主要包括:初始化，標(biāo)定程序， 顯示程序， 串口通訊程序， 參數(shù)設(shè)置程序， 計(jì)算質(zhì)量程序， 自動控制程序等模塊。
軟件濾波相對于硬件濾波更為方便，靈活。傳統(tǒng)的單片機(jī)由于性能的局限所采用的濾波算法一般為限副濾波，中值濾波，算術(shù)平均濾波，滑動平均濾波法等。
上述方法編程容易、對處理器要求不高，缺點(diǎn)是算法相對簡單，濾波效果不理想。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字濾波器對數(shù)據(jù)濾波，數(shù)字濾波器是由MATLAB 中的濾波器設(shè)計(jì)工具箱設(shè)計(jì)的無限沖激響應(yīng)濾波器。軟件濾波程序作為自動控制程序的一個子程序在稱重控制開始后被調(diào)用。
圖5 主程序流程圖。
在自動控制算法上， 不采用前述的偏差值E 比較法，而是加入模糊控制思想。除了把偏差值E 作為參考量外，還把偏差變化率Δ E 也引入到控制中來。在鄰近速度切換的閾值時(shí)， 同時(shí)考慮偏差變化率的大小， 結(jié)合實(shí)際效果恰當(dāng)編制控制規(guī)則表，使出料速度在到達(dá)閾值之前就做出變化， 削弱“飛料”對控制精度的影響，優(yōu)化控制器的性能。
5 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)針對玻璃企業(yè)原有配料系統(tǒng)特點(diǎn)， 給出了一種稱重控制器的設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行得知，完全可以適應(yīng)玻璃配料的工作要求， 控制器運(yùn)行速度快， 稱重精度優(yōu)于原有系統(tǒng)， 完全達(dá)到了控制器的設(shè)計(jì)要求， 具有一定實(shí)用價(jià)值。