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1 引言

隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)、 傳感器、 電子技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展 , 稱重技術(shù)迅速發(fā)展 , 其稱重裝置在數(shù)字化、 智能化和網(wǎng)絡(luò)化等方面有長足的進(jìn)步?？焖?、 準(zhǔn)確、 操作方便、 消除人為誤差、 功能多樣化等方面己成為現(xiàn)代稱重技術(shù)的主要特點(diǎn)。稱重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表 , 而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分 , 推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和管理的現(xiàn)代化。

皮帶秤是一種重要的稱重儀表 , 由于其具有動(dòng)態(tài)測量和自動(dòng)在線測量等優(yōu)點(diǎn) , 被廣泛地應(yīng)用。它可以起到減員增效、 節(jié)支創(chuàng)收、 減少誤差的作用 , 還可以提高管理、 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、 降低勞動(dòng)強(qiáng)度 , 從而大大提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

原有的皮帶秤控制器大多采用 8 位單片機(jī) , 在數(shù)據(jù)的采集和處理上 , 速度和精度都不是很高。 雖然 8 位單片機(jī)的技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)已經(jīng)很成熟 , 但隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展必將逐漸被性能更先進(jìn)、 功耗更低的 16 位或 32 位單片機(jī)所取代。本系統(tǒng)使用了 32 位 ARM7 核的嵌入式微控制器 , 提高了測速精度 , 改進(jìn)了皮帶秤的性能。

2 系統(tǒng)組成以及誤差分析

皮帶秤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要由三個(gè)主要部分組成 : 動(dòng)態(tài)秤、靜態(tài)秤和控制器。動(dòng)態(tài)秤主要完成了單位時(shí)間內(nèi)給定流量的配料 ; 靜態(tài)秤緩沖由動(dòng)態(tài)秤送到其斗中的配料 , 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)打開斗門將給定流量的配料送出 , 實(shí)現(xiàn)了二次校準(zhǔn) , 提高了皮帶秤配料的精度 ; 控制器實(shí)現(xiàn)了荷重與速度采集、 算法實(shí)現(xiàn)和對動(dòng)態(tài)秤電機(jī)以及靜態(tài)秤斗門的控制。

皮帶秤誤差產(chǎn)生的因素很多 , 綜合分析主要有以下幾個(gè)方面 : 稱量力誤差 ; 皮帶速度誤差 ; 信號處理誤差 ; 校準(zhǔn)誤差 ; 環(huán)境影響誤差。為了提高皮帶秤的計(jì)量精度 , 減少誤差 , 針對使用現(xiàn)場環(huán)境狀況 , 選擇相應(yīng)的設(shè)備 , 提高安裝技術(shù)水平 , 正確的維護(hù)以及有效的校準(zhǔn)。環(huán)境、 機(jī)械制造、 安裝等因素造成的誤差是不可避免的 , 而且在這些方面計(jì)量精度的改進(jìn)不大 , 但是采用微計(jì)算機(jī)控制皮帶秤可以最大限度的減小皮帶測速誤差和信號處理誤差 , 進(jìn)而也減小了其他因素對皮帶秤計(jì)量精度的影響。

3 高精度測速技術(shù)研究

3.1 嵌入式微控制器

系統(tǒng)核心控制器選型是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn) , 也是測速精度改進(jìn)的關(guān)鍵。皮帶秤控制器需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能 , 其外圍設(shè)備比較多 , 內(nèi)部需要執(zhí)行大量的數(shù)據(jù)處理、 控制和通訊等 , 而且計(jì)算精度要求高、 計(jì)算量大 , 因此軟件較龐大 , 要求執(zhí)行速度比較快 ;另外 , 所選用微控制器必須考慮到實(shí)用、 可靠、 性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到以上因素 , 我們選用 Philips 公司的嵌入式微控制器LPC2132 。 LPC2132 以 32 位的 ARM7TDMI- S 為內(nèi)核 ,2 個(gè) 32 位定 時(shí) 器 、 2 個(gè) UART 、 1 個(gè) 10 位 8 路 的 ADC 、 10位 DAC 、 IIC 、PWM 通道、 47 個(gè) GPIO 以及多達(dá) 9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使其非常適合本系統(tǒng)的開發(fā) ; 內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和 16kB 的片內(nèi) SRAM, 提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能 , 非常適合于通信 ; 內(nèi)部嵌入 64k 的高速 Flash 存儲(chǔ)器 ,128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行 ; 內(nèi)部 PLL 時(shí)鐘調(diào)整 , 可以達(dá)到最高 60MHz 的工作頻率 ; 支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤 , 使系統(tǒng)開發(fā)更加有效 ; 較小的封裝 , 功耗很低。

3.2 速度脈沖采集精度改進(jìn)

皮帶秤控制系統(tǒng)中 , 速度是一個(gè)及其重要的參數(shù) , 速度的采集精度要依靠穩(wěn)定且準(zhǔn)確的傳感器獲得。 所以 , 測速傳感器的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度、 精確度和穩(wěn)定性等等。因此 , 測速傳感器的選用極為重要。

采用脈沖測速傳感器 , 脈沖測速傳感器輸出方波信號 , 其輸出脈沖個(gè)數(shù)、 脈沖波形、 脈沖占空比以及相鄰兩通道輸出脈沖波形相位差等技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到要求 , 此種傳感器可用。脈沖傳感器測速時(shí) , 齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周 , 脈沖個(gè)數(shù)與齒輪齒數(shù)相同。齒輪個(gè)數(shù)為M, 齒輪轉(zhuǎn)速為 N(r/min), 則每秒鐘產(chǎn)生脈沖個(gè)數(shù)為 MN/60, 標(biāo)定每個(gè)脈沖皮帶走過的距離是 s (mm), 則皮帶速度為 MNs/60 (mm/s) 。

當(dāng)皮帶秤轉(zhuǎn)速很高時(shí) , 采用上面的測速方法還是能夠得到一個(gè)較理想的皮帶速度值 ; 但是 , 當(dāng)皮帶秤轉(zhuǎn)速很慢時(shí) , 甚至每秒鐘轉(zhuǎn)動(dòng)不超過一個(gè)齒時(shí) , 顯然上面的方法是不可行的。 速度脈沖的采集需要進(jìn)一步地改進(jìn) , 需要更多的標(biāo)定量。

利用 LPC2132 的定時(shí)器功能可以得到更加精確的速度脈沖采集值。設(shè)置 LPC2132 定時(shí)器 1 相關(guān)寄存器 , 使能下降沿中斷 捕 獲 功 能 。 將 高 精 度 脈沖 測 速 傳 感 器 信 號 輸 出 引 腳 與LPC2132 的捕獲管腳相連 , 當(dāng)有速度脈沖信號輸入時(shí) , 信號由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平時(shí) LPC2132 將產(chǎn)生定時(shí)器捕獲中斷, 進(jìn)入中斷后可以記錄捕獲到的速度脈沖個(gè)數(shù) , 更重要的是還可以同時(shí)讀取由定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器中保存的每個(gè)用于速度計(jì)算的脈沖占用的 LPC2132 處理器周期數(shù)。至此 , 得到了兩個(gè)以上速度脈沖采集的標(biāo)定量 , 速度脈沖采集得到改進(jìn)。

3.3 速度脈沖計(jì)算精度改進(jìn)

設(shè)置 LPC2132 定時(shí)器 0 相關(guān)寄存器 , 使能 1 秒定時(shí)中斷 , 且優(yōu)先級最高 ; 設(shè)置定時(shí)器 1 相關(guān)寄存器 , 使能下降沿中斷捕獲功能。每次進(jìn)入捕獲中斷 , 保存所需各標(biāo)定量的值 ; 每 1 秒到進(jìn)入中斷 , 讀取各標(biāo)定量的值 , 計(jì)算瞬時(shí)速度。假定 1 秒定時(shí)到 , 實(shí)際捕獲的速度脈沖波形如圖 2 所示

可以很直觀的看出 , 在 1 秒定時(shí)開始和結(jié)束的時(shí)候 , 捕獲到不完整的脈沖信號。 t ₁ 為 1 秒定時(shí)開始捕獲到的脈沖信號的時(shí)間 ,t ₂ 為 1 秒定時(shí)結(jié)束得到的脈沖信號的時(shí)間 ,T_add 為 1 秒定時(shí)開始到最后一次捕獲到下降沿的累計(jì)時(shí)間 , T_sec 為 1 秒時(shí)間恒定值。t ₁ 在捕獲中斷時(shí) , 讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器值獲得, T_add在每次進(jìn)入捕獲中斷時(shí) , 計(jì)數(shù)寄存器的值累加得到 , t ₂ 等于T_sec 與T_add 的差值。要得到速度的計(jì)算值 , 還需要引入兩個(gè)量 T_f 和 T _l , 分別為前后兩個(gè)不完整脈沖信號的完整周期時(shí)間值。電機(jī)運(yùn)行過程中 , 速度不可能突變 , 所以 T _f 與 T _l 取值其前一個(gè)脈沖的周期時(shí)間。因此 , 我們得到瞬時(shí)速度 v :

其中 C 為 1 秒內(nèi)捕獲到的下降沿個(gè)數(shù) , 所有的時(shí)間量以LPC2132 處理器周期個(gè)數(shù)為單位。

1 秒時(shí)間內(nèi) , 捕獲到一個(gè)或多個(gè)下降沿 , 公式 (1) 總是成立的 ,但是 1 秒時(shí)間內(nèi)沒有捕獲到下降沿 , 公式 (1) 就不能成立。此時(shí) ,瞬時(shí)速度 v 采用公式(2):

即使電機(jī)運(yùn)行速度非常緩慢 , 公式 (2) 也能得到當(dāng)前的瞬時(shí)速度 v₀但是 , 電機(jī)突然停止 , 公式 (2) 就不再適用了。因此 , 根據(jù)電機(jī)速度不可能突變 , 程序里需要判斷臨近兩個(gè)脈沖周期差值也不會(huì)突變來斷定電機(jī)是否停止 , 電機(jī)停止則 v 置零。

皮帶秤運(yùn)行時(shí) , 電機(jī)可能在某一時(shí)刻處于加速或減速狀態(tài) ,此時(shí)公式 (1) 中的 t 1 / T _f 與 t ₂ / T _l 項(xiàng)的值可能出現(xiàn)大于 1 的情況 , 因此 , 必須在程序中判斷并避免這種情況 , 取 t ₁ / T _f 與 t ₂ /T _l 近似等于 0.99 。另外 , 實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)干擾 , 使定時(shí)捕獲產(chǎn)生誤差 , 根據(jù)電機(jī)速度不可能突變, 程序里需要判斷臨近兩次完整脈沖周期差值也不會(huì)突變來消除抖動(dòng)干擾。電機(jī)運(yùn)行速度非常緩慢時(shí) , 定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器可能產(chǎn)生溢出 , 應(yīng)及時(shí)讀取和清空。

4 結(jié)論

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上保留原有的皮帶秤裝置 , 采用了新型的 ARM 皮帶秤控制器。選用 32 位嵌入式 ARM7 微控制器 , 不但提供了豐富的外圍部件 , 而且性能優(yōu)越 , 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確 , 處理速度快 , 運(yùn)行穩(wěn)定。 軟件開發(fā)獲得較以往更加準(zhǔn)確的速度測定值 , 皮帶秤測速精度得到改進(jìn)。 因此 , 皮帶秤配料系統(tǒng)控制性能得到進(jìn)一步的改善 , 而且響應(yīng)快 , 誤差小 ; 同時(shí)采用 32 位 ARM7 數(shù)字控制器和分布式控制系統(tǒng) , 功能強(qiáng)大。系統(tǒng)集控制、 測試、 管理于一體 , 便于二次開發(fā)、 系統(tǒng)升級和技術(shù)移植 , 性價(jià)比高。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn) : 原有的皮帶秤控制器 , 采用脈沖計(jì)數(shù)方法測速 , 精度不高 , 從而影響了整個(gè)皮帶秤的計(jì)量精度。在原有的皮帶秤裝置基礎(chǔ)上 , 采用新型的 32 位嵌入式 ARM 微控制器作為皮帶秤控制器 , 得到精度較高的速度測定值 , 改善了皮帶秤的計(jì)量精度。

項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益 : 本課題是水泥廠配料系統(tǒng)項(xiàng)目的一部分 , 是解決皮帶秤配料系統(tǒng)計(jì)量精度的關(guān)鍵技術(shù)。該項(xiàng)目投入 15 萬資金 , 其中控制器及其軟件開發(fā)部分占資金的 50%, 也是設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)之一 , 占整個(gè)設(shè)計(jì)工作量的一半。

 

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