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0引言
為了解決皮帶秤的稱重輻受力下沉?xí)r，產(chǎn)生皮帶張力問(wèn)題。一般是通過(guò)提高稱架的剛度來(lái)減小皮帶張力，這樣會(huì)使皮帶秤變得笨重。釆用陣列式皮帶秤能夠減小皮帶張力、溫度濕度的變化對(duì)稱重精度的影響。該陣列式皮帶秤系統(tǒng)釆用ARM7微控制器,針對(duì)濾波電路存在的穩(wěn)定性、溫漂等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種有效的低通濾波結(jié)構(gòu)，采用了穩(wěn)零式的儀表放大器和低噪聲低溫漂的24位ADC轉(zhuǎn)換器，并對(duì)測(cè)速脈沖信號(hào)進(jìn)行硬件濾波,從而有效提高了皮帶秤的稱重精度⑴。
1皮帶秤的稱重原理
動(dòng)態(tài)計(jì)量秤積算器在物料輸送過(guò)程中自動(dòng)、連續(xù)的完成對(duì)物料流量的測(cè)量。這是通過(guò)動(dòng)態(tài)釆集皮帶秤架上的8個(gè)稱重傳感器和1個(gè)速度傳感器，由單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而完成物料的動(dòng)態(tài)計(jì)量。為了測(cè)得在一段長(zhǎng)度（或時(shí)間）內(nèi)帶送物料流的總累計(jì)值，可以釆用積分法計(jì)量原理來(lái)計(jì)算⑵。
在邛寸刻的計(jì)量段內(nèi)，有物料通過(guò)時(shí),可以測(cè)得該處截面的的物料重量分布和輸送帶的速度，二者的乘積就是皮帶輸送機(jī)的瞬時(shí)物料流量，在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)Q3進(jìn)行積分，得到這段時(shí)間內(nèi)的物料累計(jì)重量G
2皮帶秤硬件電路設(shè)計(jì)
2.1嵌入式微控制器
皮帶秤要實(shí)現(xiàn)八通道重量數(shù)據(jù)的并行采集、測(cè)速、通訊等功能,外圍電路比較復(fù)雜。內(nèi)部要進(jìn)行瞬時(shí)流量和總累計(jì)量的計(jì)算,運(yùn)算量很大。如果采用單精度的浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，在總累計(jì)量很大的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)累計(jì)不進(jìn)去，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失的現(xiàn)象。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的大型設(shè)備的瞬時(shí)啟動(dòng)停止產(chǎn)生了強(qiáng)烈干擾，要求控制器具備很高的抗干擾能力和穩(wěn)定性。所以釆用LPC2142微處理器，能夠滿足實(shí)際的需要。
LPC2142是支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，具有2個(gè)32位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、6路輸出的PWM單元和看門狗,2個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的UART、2個(gè)1氣接口，1個(gè)SPI和SSP,1路10位ADC、1個(gè)10位DAC、45個(gè)通用1/0口、9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，內(nèi)置16KB的靜態(tài)RAM和64KB的片內(nèi)Flash,通過(guò)PLL可以實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率，小型LQFP64封裝，功耗很低⑴。可以實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)，豐富的I/O口，也有利于以后硬件功能的擴(kuò)展。
2.2濾波電路的設(shè)計(jì)
稱重傳感器輸出的是0~8mV的電壓信號(hào),在進(jìn)入儀表放大器之前,通過(guò)濾波來(lái)提高信號(hào)的抗干擾能力。
在無(wú)源低通濾波的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種更加有效的濾波電路的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。差分信號(hào)通過(guò)Rag右端進(jìn)入系統(tǒng)。由電阻R”、R23和電容Cm9、C|50組成了對(duì)地低通濾波結(jié)構(gòu)，主要濾去差分信號(hào)中的高頻噪聲。2個(gè)并聯(lián)滌綸電容Cw、cm，它們能夠很好的衰減掉差模噪聲。由高精密電阻為、電和粗電容C"3又組成了一個(gè)低通濾波結(jié)構(gòu)，濾掉了截至頻率以上的信號(hào);最后經(jīng)過(guò)滌綸電容C“、c%衰減掉了共模噪聲，這時(shí)差分信號(hào)才輸入到儀表放大器中。
圖1濾波電路
釆用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的低通濾波器，能夠使得差分信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到同樣的損失，保證線路的平衡。當(dāng)電阻和電容G”的值釆用如圖1所標(biāo)出的數(shù)值時(shí)，算出低通濾波器的截止頻率A=72.38Hz⑷。
2.3儀表放大器(AD8231)
該系統(tǒng)稱重傳感器輸出的是一個(gè)mV級(jí)的差分信號(hào)，極易受到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)噪聲的干擾，因此不能遠(yuǎn)距離傳輸。必須先經(jīng)過(guò)儀表放大器的放大，才能進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換⑷。
釆用的AD8231是一款利用自動(dòng)調(diào)零技術(shù)制作的穩(wěn)零式精密儀表放大器。電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
AD8231可以通過(guò)數(shù)字或引腳編程選擇增益，最大為128。當(dāng)增益G=1時(shí)，共模抑制比(CMRR)為80dB,共模抑制比隨增益提高而增加，最高可達(dá)HOdB.輸入偏置電壓的最大漂移最大為50nV/T,可以有效改善皮帶計(jì)量秤數(shù)據(jù)釆集的溫漂性能。同時(shí),AD8231具有關(guān)斷功能，可以對(duì)八通道稱重傳感器信號(hào)進(jìn)行放大,從而避免了在使用多路模擬開(kāi)關(guān)帶來(lái)的導(dǎo)通電阻和漏電流的問(wèn)題。

2.4AD釆集模塊
要達(dá)到比較高的測(cè)量精度，需要釆用高分辨率的ADC.AD7190是一款A(yù)-£型,轉(zhuǎn)換速率可達(dá)4.8kHz,分辨率達(dá)到24位的A/D轉(zhuǎn)換器。以ADC轉(zhuǎn)換器為核心的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在確定AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時(shí)，要考慮系統(tǒng)的釆樣速率,AD7190的釆樣速率4.7Hz~4.8kHz之內(nèi)。AD7190有效分辨率為24位，峰-峰分辨率為21.5位(gain=1,轉(zhuǎn)換率為50Hz)。在滿足需要的情況下，降低更新速率可以提高有效分辨率。
此外,ADC的有效分辨率還與可編程增益放大器的增益有關(guān)。該系統(tǒng)稱重傳感器的電橋激勵(lì)電壓為5V,其輸出信號(hào)的共模電壓為2.5V.稱重傳感器的輸出信號(hào)(0~8mV)放大了128倍后,大約是1V左右，可設(shè)置的AD7190的增益只能設(shè)為
另外AD7190增益越低,其有效分辨率越高。
AD7190的4個(gè)數(shù)字接口的引腳/CS、SCLK、DIN、DOUT/RDY,通過(guò)隔離芯片ADuM1401和LPC2142應(yīng)的I/O相連，利用SPI方式完成與微控制器的通信。8路的ADC轉(zhuǎn)換器的DOUT/RDY端口跟LPC2142的引腳相連,并設(shè)置外部中斷為低電平激活方式。當(dāng)RDY變?yōu)榈碗娖?，就?huì)進(jìn)行中斷服務(wù)處理。
把AD7190的參考電壓輸入端口REF1+、REF1-直接連接到稱重傳感器反饋激勵(lì)電壓，這樣使得ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果跟AD7190的參考電壓無(wú)關(guān)，這就是比率激勵(lì)測(cè)量法的思想。能夠用一般的基準(zhǔn)達(dá)到高精度的ADC轉(zhuǎn)換。
2.5測(cè)速模塊
皮帶秤的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，通過(guò)光電編碼器會(huì)產(chǎn)生速度脈沖信號(hào),通過(guò)光隔TP521,除去速度信號(hào)上的毛刺,在經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器74F132進(jìn)一步去掉毛刺，最后由單片機(jī)進(jìn)行處理⑷。當(dāng)LPC2142的外部中斷輸入設(shè)置為邊沿激活方式，就可以通過(guò)中斷對(duì)輸入的脈沖數(shù)進(jìn)行處理。未經(jīng)過(guò)濾波的速度脈沖信號(hào)，如圖4所示。從圖可以看出這時(shí)雜波的幅值很大，很容易導(dǎo)致邏輯電平的錯(cuò)誤。釆用了施密特觸發(fā)器后，提高了噪聲容限,基本濾掉了速度信號(hào)中的雜波，輸出的速度方波信號(hào)如圖5所示

3抗干擾技術(shù)
3.1硬件抗干擾措施
在實(shí)際的應(yīng)用中，傳感器離控制器都有一定的距離，這時(shí)信號(hào)傳輸線的漏電阻，損耗電阻和分布電容會(huì)降低電路的共模抑制能力。采用六線制接法，就是把供橋激勵(lì)電壓的反饋電壓作為ADC轉(zhuǎn)換器的參考電壓，并且使用屏蔽電纜作為傳輸線，可以有效的減小外界噪聲的干擾⑷。
在電路板布局時(shí)，強(qiáng)電和弱電，模擬電路、數(shù)字電路都要分開(kāi)'句。電源模塊上面的+5V和+15V,分別通過(guò)SPX1117M3-3.3芯片和AD435芯片,分別為數(shù)字電路和模擬電路提供穩(wěn)定的電源。
供橋的模擬地是從AC/DC電源模塊的模擬地的根部直接引出去，可以避免其他模擬地的噪聲干擾。在布線時(shí),模擬地和AD7190的地單點(diǎn)接地，特別要防止走大電流的地線和ad7190的地線相互干擾。同時(shí)要保證所有電流的返回路徑都盡可能地靠近它們到達(dá)目的地所走的路徑⑴。而且,盡量加粗電源線和地線，并在電源線和地線之間，加1個(gè)106的鋌電容和104陶瓷電容來(lái)去耦。同時(shí)輸入8231_AIN1+、8231_REF1要釆用全差分模式，避免直接接地,減少地線噪聲干擾。
3.2軟件抗干擾措施
軟件抗干擾措施主要釆用遞推平均濾波法,就是先在單片機(jī)的緩沖區(qū)中存入N個(gè)數(shù)據(jù)，形成了1個(gè)長(zhǎng)度為N的隊(duì)列，然后每進(jìn)1個(gè)采樣值，就把最新的1個(gè)數(shù)據(jù)放在隊(duì)尾，扔掉原來(lái)隊(duì)首的1個(gè)數(shù)據(jù)，這樣隊(duì)列中始終有N個(gè)最新的數(shù)據(jù)。對(duì)這N個(gè)數(shù)據(jù)取平均值,就可以得到最新的濾波值。遞推平均濾波法對(duì)周期干擾有良好的抑制作用，但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用差。故它不適用于脈沖干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合，而適用于高頻振蕩系統(tǒng)囪。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
4.1陣列式皮帶秤零點(diǎn)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)
在上位機(jī)的稱重系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)定測(cè)速傳感器的脈沖頻率為50Hz,皮帶秤空稱跑4圈，去皮校稱,測(cè)得的陣列式皮帶秤的校稱零點(diǎn)值，如表1所示。

所謂零點(diǎn)指的是空皮帶運(yùn)行時(shí)所測(cè)出的重量值，也就是皮帶的皮重值。皮重值越穩(wěn)定，才能更精確的算出皮帶秤的瞬時(shí)流量和總累計(jì)量。
當(dāng)測(cè)速傳感器輸入的是工頻脈沖時(shí)，皮帶跑一圈的時(shí)間為48.5s,跑的圈數(shù)越多，測(cè)量的零點(diǎn)值會(huì)越精確。一般取4~5圈左右，就能滿足實(shí)際的需要。這時(shí)皮帶秤零點(diǎn)值誤差精度在(7~8)Xi。-'表明陣列式皮帶秤的零點(diǎn)值是很穩(wěn)定的。但是由于皮帶的不均勻性，因此這種誤差是始終存在的。
4.2陣列式皮帶秤稱重實(shí)驗(yàn)及誤差分析
在工業(yè)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，上位機(jī)設(shè)置皮帶機(jī)運(yùn)行一圈的時(shí)間為48.5s,測(cè)得對(duì)應(yīng)的速度為2.2m/s.并且設(shè)置皮帶的張力最大值為1107kg,這樣有利于減小皮帶輻下沉的對(duì)稱重的影響。然后
進(jìn)行去皮、校稱標(biāo)定,再通過(guò)RS-485總線通訊,調(diào)取下位機(jī)的數(shù)據(jù),并在上位機(jī)進(jìn)行處理顯示。在瞬時(shí)流量分別為200t、500t、l000t進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)。根據(jù)物流流量的理論值和實(shí)際值，求得稱重的誤差(%)，經(jīng)擬合后的誤差曲線。
3組試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)稱重誤差精度都在0.2%之內(nèi)，每組試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)誤差跟瞬時(shí)流量近似成線性關(guān)系。當(dāng)瞬時(shí)流量為500t/h時(shí),動(dòng)態(tài)稱重精度最高。根據(jù)式(1),當(dāng)物流均勻流過(guò)，皮帶速度穩(wěn)定時(shí)，可以得出,物流流量的近似計(jì)算公式：
q=3.    (2)
根據(jù)式(2)可知，當(dāng)小皮帶的速度恒定時(shí)，物流流量Q跟載荷分布g成比例關(guān)系。當(dāng)流量。變大時(shí),q就成比例增大。因此，單位長(zhǎng)度皮帶的承受的載荷變大，皮帶的張力變大,誤差被放大。在瞬時(shí)流量為500t/h時(shí)，對(duì)流量進(jìn)行標(biāo)定，得出的稱重精度是最高的;而瞬時(shí)流量在200tj000t時(shí)，皮帶的張力相對(duì)于500t/h的變化量分別為皿仏烏這樣就使得稱重誤差變大。由于瞬時(shí)流量與動(dòng)態(tài)稱重誤差近似成線性關(guān)系，可以通過(guò)軟件補(bǔ)償，進(jìn)一步的提高動(dòng)態(tài)稱重精度。由于硬件電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)、外界環(huán)境等都會(huì)對(duì)皮帶秤的精度產(chǎn)生影響，因此,要設(shè)計(jì)更高精度的皮帶秤,需要全面的考慮這些因素。
5結(jié)束語(yǔ)
基于LPC2142微控制器的陣列式皮帶秤，通過(guò)設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)臑V波結(jié)構(gòu)，選擇合適的儀表放大器和ADC轉(zhuǎn)換器，并在硬件上對(duì)測(cè)速脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波,減小了雜波的干擾。經(jīng)過(guò)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試，達(dá)到了很高的稱重精度。而且LPC2142強(qiáng)大的功能，有利于將來(lái)網(wǎng)絡(luò)接口等功能的擴(kuò)展。測(cè)試結(jié)果表明這種陣列式皮帶秤具有良好的使用價(jià)值。

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