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0.引言

電子膠帶秤是安裝在膠帶輸送機(jī)的適當(dāng)位置上，對(duì)散裝物料自動(dòng)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)地累計(jì)稱量的計(jì)量器具。它廣泛應(yīng)用于散料貿(mào)易結(jié)算、生產(chǎn)工藝流程中的配料計(jì)量及檢測(cè)控制。膠帶秤控制儀表的性能好壞直接影響到膠帶秤的計(jì)量精度，因?yàn)樵搩x表包括了信號(hào)的采樣、濾波、放大、A／D轉(zhuǎn)換，瞬時(shí)流量計(jì)算和累計(jì)及顯示、參數(shù)設(shè)定、校秤程序，對(duì)于配料秤還包括PID動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)部分和變頻器控制接口。因此，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的。

1.速度測(cè)量

目前在以光電編碼器構(gòu)成的測(cè)速系統(tǒng)中，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有三種：M法(頻率法)、T法(周期法)、M／T法(頻率／周期法)。M法是在既定的檢漫4時(shí)間內(nèi)，根據(jù)測(cè)量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速；T法是根據(jù)測(cè)量相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來確定轉(zhuǎn)速；M／T法是根據(jù)同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在該時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速，能實(shí)現(xiàn)很寬的速度范圍內(nèi)等精度的速度測(cè)量。筆者所設(shè)計(jì)的控制儀表中轉(zhuǎn)速測(cè)量采用M／T法。專門介紹和分析M／T法原理的文章很多，這里只作簡單介紹，著重介紹一下具體電路的實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)速測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)，可以采用單片機(jī)，但是實(shí)現(xiàn)M／T法測(cè)速，要占用3路計(jì)數(shù)器，而單片機(jī)片內(nèi)資源有限；再者為了減少測(cè)速時(shí)間，應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率，這叉受到了單片機(jī)最高計(jì)數(shù)頻率的限制。所以采用CPLD器件和單片機(jī)共同組成測(cè)速模塊。轉(zhuǎn)速測(cè)量電路主要由以下3部分組成：

(1)信號(hào)整形電路：用于待測(cè)速度信號(hào)的放大和整形，以便作為CPLD器件的輸入信號(hào)；

(2)測(cè)頻電路：測(cè)速的核心電路模塊，由CPLD器件擔(dān)任；

(3)單片機(jī)電路模塊：用于控制CPLD的測(cè)頻操作和速度的計(jì)算，單片機(jī)的Po口直接讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，P2口向CPLD發(fā)控制命令。等精度測(cè)速的實(shí)現(xiàn)方法可以簡單地預(yù)置門信號(hào)TSET由單片機(jī)發(fā)出，TSET的時(shí)間寬度對(duì)測(cè)量精度的影響較小，這里設(shè)其寬度為T…FS是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)輸入端，F(xiàn)X是測(cè)速碼盤脈沖信號(hào)的輸入端，這2路信號(hào)分別輸入到2個(gè)可控的16位高速計(jì)數(shù)器中。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)允許端ENA高電平有效，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率為F，測(cè)速信號(hào)的頻率為F。測(cè)速開始前，先發(fā)出一個(gè)清零信號(hào)CLR，將2個(gè)計(jì)數(shù)器和D觸發(fā)器置0，然后由單片機(jī)發(fā)出允許測(cè)頻的命令，即令預(yù)置門信號(hào)TSET為高電平，這時(shí)D觸發(fā)器要一直等到被測(cè)速度信號(hào)的上升沿通過時(shí)，Q端才被置1(即START端變?yōu)楦唠娖?，與此同時(shí)，將同時(shí)啟動(dòng)2個(gè)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。在此期間，2個(gè)計(jì)數(shù)器分別但同時(shí)對(duì)被測(cè)速度信號(hào)(頻率為F)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)(頻率為F)計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)間到后，預(yù)置門信號(hào)TSET被單片機(jī)置為低電平，但此時(shí)2個(gè)計(jì)數(shù)器仍沒有停止計(jì)數(shù)，一直等到隨后而至的被測(cè)速度信號(hào)的脈沖上升沿到來時(shí)，才通過D觸發(fā)器將這2個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉。TSET信號(hào)的寬度和發(fā)生的時(shí)間都不會(huì)影響計(jì)數(shù)使能信號(hào)START，允許計(jì)數(shù)的周期總是恰好等于被測(cè)速度信號(hào)F的完整周期數(shù)，這是確保F在任何頻率條件下都能保持恒定精度的關(guān)鍵。而且，TSET寬度的改變以及隨機(jī)出現(xiàn)的時(shí)間造成的誤差最多只有F信號(hào)的1個(gè)周期，如果F由精確穩(wěn)定的晶體振蕩器(10MHz)發(fā)出，則任何時(shí)刻的絕對(duì)測(cè)量誤差只有10s。設(shè)在1次預(yù)置門時(shí)間T。，中，被測(cè)速度信號(hào)計(jì)數(shù)值為N，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為N，則有：F／N一F／N(1)測(cè)得的轉(zhuǎn)速頻率為：F=(F／N)×N(2)測(cè)速輪轉(zhuǎn)速為”一F／P(3)式中：P為測(cè)速光電編碼器1周的脈沖數(shù)。將轉(zhuǎn)速硝折算成膠帶的線速度為：2nrn：27r·(m／s)(4)J'S』式中：r為測(cè)速輪半徑，m。最后通過控制SEL選擇信號(hào)和32位到8位的多路轉(zhuǎn)換器MAX328(見圖1)，將2個(gè)計(jì)數(shù)器中的2個(gè)16位的計(jì)數(shù)值分4次讀入單片機(jī)，再按(4)式計(jì)算出帶速。用1片ALTRA的CPLD電路EPS7064，在片內(nèi)設(shè)置2個(gè)相同的獨(dú)立l6位計(jì)數(shù)器(COUNT0、COUNTI)。每個(gè)計(jì)數(shù)器都有自己的時(shí)鐘輸入CLK、計(jì)數(shù)器輸出OUT和門控信號(hào)GATE，通過編程設(shè)置工作方式。當(dāng)GATE端為高電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)；當(dāng)GATE端為低電平時(shí)，禁止計(jì)數(shù)。采用MAXPLUsIIEDA開發(fā)平臺(tái)，利用其功能元件庫中的計(jì)數(shù)器1P模塊，編程方便。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以減輕CPU的負(fù)擔(dān)，減少對(duì)CPU內(nèi)部資源的占用。

2.荷重檢測(cè)

影響膠帶秤計(jì)量精度的另一個(gè)主要因素是荷重的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。由于膠帶秤一般處于長期連續(xù)的工作狀態(tài)，在信號(hào)的放大、A／D轉(zhuǎn)換通道設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定性和抗干擾性能是首先要考慮的問題。因此，放大電路選用了自穩(wěn)零斬波放大器ICL7650。這里著重討論膠帶秤儀表中A／D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)。基于穩(wěn)定性的考慮，選用V／F電壓／頻率轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，并對(duì)其常規(guī)用法作了改進(jìn)。本設(shè)計(jì)選用V／F轉(zhuǎn)換器中高性能芯片AD652。該芯片采用外部時(shí)鐘控制，消除了內(nèi)部時(shí)鐘方式中阻容器件的穩(wěn)定性對(duì)精度的影響。該芯片的最高輸出頻率可達(dá)2MHz，非線性誤差僅為0．002。用V／F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的A／D轉(zhuǎn)換可以達(dá)到非常高的分辨率，但這是以犧牲時(shí)間為代價(jià)的。可估算下，如采用1M輸出的v／v轉(zhuǎn)換器，就是1s輸出1000K計(jì)數(shù)值，1ms輸出1K計(jì)數(shù)值，近似于1O位A／D轉(zhuǎn)換值。10ms輸出1OK計(jì)數(shù)值，50ms輸出為5OK計(jì)數(shù)，接近16位A／D轉(zhuǎn)換值：65535。由此看出要提高A／D的轉(zhuǎn)換速率，只有提高V／F轉(zhuǎn)換器的頻率輸出值。提高輸出頻率又帶來了新的問題，用V／F轉(zhuǎn)換器完成A／D轉(zhuǎn)換，需要1個(gè)定時(shí)器和1個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率限制了V／F器件輸出頻率的提高。如果采用51系列單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率為單片機(jī)工作頻率的1／24，如采用12MHz的晶振，它的最高計(jì)數(shù)頻率只能達(dá)到0．5M，所以采用CPLD器件組成高速計(jì)數(shù)器，對(duì)AD652輸出的lM脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。AD652的最高輸出頻率可達(dá)2M，選用lM的頻率是出于對(duì)V／F輸出線性的考慮。上面分析了提高A／D轉(zhuǎn)換速度從硬件上的考慮，從上述M／T法測(cè)速中還可得到如下啟發(fā)，即直接采用和測(cè)速環(huán)節(jié)相同的硬件邏輯，將測(cè)速信號(hào)換成V／F轉(zhuǎn)換器AD652的輸出脈沖信號(hào)，在數(shù)據(jù)處理上也和測(cè)速中的頻率測(cè)量方法相同。按(2)式計(jì)算出被測(cè)頻率。這樣在保證轉(zhuǎn)換精度的前提下，使由V／F變換器組成的A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度得提高。如采用1OMHz的高精度晶振作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源，測(cè)量周期T設(shè)定為10ms，也就是A／D轉(zhuǎn)換的時(shí)間，完成16位的A／D轉(zhuǎn)換，絕對(duì)測(cè)量頻率誤差只有10s，而轉(zhuǎn)換速度比傳統(tǒng)的算法提高了5倍。

3.輸出通道設(shè)計(jì)

電子膠帶秤在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，往往作為測(cè)控系統(tǒng)或配料系統(tǒng)的一部分。這就要求控制儀表不但要有顯示輸出，還要由和其它系統(tǒng)相連接的數(shù)字量和模擬量輸出接口。電子膠帶秤控制儀表的模擬量輸出通道，通常為0～10mA或4～20mA的電流輸出形式。對(duì)于配料秤，要將PID調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)傳輸?shù)侥z帶驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的變頻器，以控制膠帶的瞬時(shí)流量跟隨設(shè)定值；對(duì)于計(jì)量秤，要輸出和流量成線性關(guān)系的電流模擬信號(hào)，作為其它控制設(shè)備的輸入控制信號(hào)。對(duì)模擬量輸出接口的要求，一個(gè)是精度的要求，另一個(gè)是可靠性的要求。智能化儀表中，由于采用了以CPU為核心的數(shù)字化處理技術(shù)，儀表的輸出通道要完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。為了滿足可靠性的要求，輸出通道要采用隔離技術(shù)，以防止現(xiàn)場的干擾信號(hào)污染到儀表。盡管DAc和電壓電流變送技術(shù)早已廣泛地應(yīng)用在儀表中，但隨著IC技術(shù)的發(fā)展，各種新的、更有特色的專用IC芯片的出現(xiàn)，使輸出通道的性能得到了進(jìn)一步的提高，而成本得到了降低，同時(shí)給設(shè)計(jì)提供了更多的方便性和靈活性。如近年來串行ADC和DAc越來越多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集中，這種芯片將傳統(tǒng)的CPU數(shù)據(jù)總線連接減少到2～3根CPU口線。這就大大降低了信號(hào)隔離的成本，可以淘汰昂貴的模擬信號(hào)隔離放大器或線性光隔，代之以便宜的數(shù)字光隔。用SPI接口的DAC芯片MAX538和V／I變送芯片AD694組成的模擬輸出通道如圖3所示。和CPU的連接只需3根口線，其中的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線還可和其它同類型接口芯片共用，只用3個(gè)數(shù)字光隔即可完成隔離，成本很低。MAX538是單電源、低功耗、電壓輸出12位串行DAC，具有8引腳DIP／SO封裝，最大串行時(shí)鐘頻率為14MHz，數(shù)字更新頻率為877kHz。AD694是單片大信號(hào)輸入電壓／電流變換器。電流輸出可以設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA環(huán)路電流，其輸入可通過對(duì)管腳的不同連接來實(shí)現(xiàn)0～2V、O～10V等范圍的變換。該芯片具有很高的線性度，僅有0．002Ko的典型非線性度。MAX538的滿度輸出電壓為2V，而AD694可以接成2V輸入，同時(shí)AD694片內(nèi)又可提供MAX538需要的2V參考電壓，所以2個(gè)芯片共同使用可以配合得非常好，電路簡捷，不須調(diào)試就可達(dá)到很高的精度。

4.儀表結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

電子膠帶秤往往作為計(jì)量或配比控制系統(tǒng)中的個(gè)組成部分，安裝在工業(yè)現(xiàn)場，而膠帶秤控制儀表一般要安裝在集中控制室中。兩者之間的距離近則數(shù)十米，遠(yuǎn)則數(shù)百米。因此，傳感器和控制信號(hào)的傳輸是必須要考慮的一個(gè)問題。傳統(tǒng)的方法是采用電流環(huán)的方式傳送荷重傳感器信號(hào)、測(cè)速傳感器信號(hào)和變頻器速度給定信號(hào)，每臺(tái)膠帶秤需要遠(yuǎn)距離傳送的信號(hào)線路為3對(duì)。而筆者設(shè)計(jì)的儀表采用分體式結(jié)構(gòu)，將儀表的測(cè)量控制部分和人機(jī)界面分開，將儀表的控制部分放在現(xiàn)場的秤體旁邊，做成一個(gè)密閉的機(jī)箱，這部分除了沒有人機(jī)操作界面外，是一個(gè)完整的可以獨(dú)立工作的膠帶秤控制系統(tǒng)。它的計(jì)量數(shù)值通過RS485數(shù)字通信接口遠(yuǎn)傳到集中控制室內(nèi)的儀表或計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場只完成數(shù)據(jù)的顯示和膠帶秤工作參數(shù)的設(shè)定。這種方案即使有十幾臺(tái)電子膠帶秤，遠(yuǎn)傳信號(hào)線也只有1對(duì)，傳送距離比電流環(huán)方式更遠(yuǎn)，也簡化了設(shè)計(jì)、降低了成本，便于維護(hù)。

5.結(jié)語

以上介紹的膠帶秤控制儀表的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，均已在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用，并取得了良好的效果。

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