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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)生皮帶張力問題。一般是通過提高稱架的剛度來減小皮帶張力，這樣會使皮帶秤變得笨重。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,針對濾波電路存在的穩(wěn)定性、溫漂等問題，設(shè)計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，并對測速脈沖信號進行硬件濾波,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
動態(tài)計量秤積算器在物料輸送過程中自動、連續(xù)的完成對物料流量的測量。這是通過動態(tài)釆集皮帶秤架上的8個稱重傳感器和1個速度傳感器，由單片機對這些數(shù)據(jù)進行處理從而完成物料的動態(tài)計量。為了測得在一段長度（或時間）內(nèi)帶送物料流的總累計值，可以釆用積分法計量原理來計算⑵。
在邛寸刻的計量段內(nèi)，有物料通過時,可以測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的瞬時物料流量，在一段時間內(nèi)對Q3進行積分，得到這段時間內(nèi)的物料累計重量G
2皮帶秤硬件電路設(shè)計
2.1嵌入式微控制器
皮帶秤要實現(xiàn)八通道重量數(shù)據(jù)的并行采集、測速、通訊等功能,外圍電路比較復(fù)雜。內(nèi)部要進行瞬時流量和總累計量的計算,運算量很大。如果采用單精度的浮點數(shù)進行運算，在總累計量很大的時候，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)累計不進去，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失的現(xiàn)象。工業(yè)現(xiàn)場中的大型設(shè)備的瞬時啟動停止產(chǎn)生了強烈干擾，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，能夠滿足實際的需要。
LPC2142是支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，具有2個32位的定時器/計數(shù)器、6路輸出的PWM單元和看門狗,2個工業(yè)標準的UART、2個1氣接口，1個SPI和SSP,1路10位ADC、1個10位DAC、45個通用1/0口、9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，內(nèi)置16KB的靜態(tài)RAM和64KB的片內(nèi)Flash,通過PLL可以實現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率，小型LQFP64封裝，功耗很低⑴?？梢詫崿F(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應(yīng)，豐富的I/O口，也有利于以后硬件功能的擴展。
2.2濾波電路的設(shè)計
稱重傳感器輸出的是0~8mV的電壓信號,在進入儀表放大器之前,通過濾波來提高信號的抗干擾能力。
在無源低通濾波的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了一種更加有效的濾波電路的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。差分信號通過Rag右端進入系統(tǒng)。由電阻R”、R23和電容Cm9、C|50組成了對地低通濾波結(jié)構(gòu)，主要濾去差分信號中的高頻噪聲。2個并聯(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又組成了一個低通濾波結(jié)構(gòu)，濾掉了截至頻率以上的信號;最后經(jīng)過滌綸電容C“、c%衰減掉了共模噪聲，這時差分信號才輸入到儀表放大器中。
圖1濾波電路
釆用對稱結(jié)構(gòu)的低通濾波器，能夠使得差分信號在傳輸過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所標出的數(shù)值時，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mV級的差分信號，極易受到工業(yè)現(xiàn)場噪聲的干擾，因此不能遠距離傳輸。必須先經(jīng)過儀表放大器的放大，才能進行ADC轉(zhuǎn)換⑷。
釆用的AD8231是一款利用自動調(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可以通過數(shù)字或引腳編程選擇增益，最大為128。當(dāng)增益G=1時，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量秤數(shù)據(jù)釆集的溫漂性能。同時,AD8231具有關(guān)斷功能，可以對八通道稱重傳感器信號進行放大,從而避免了在使用多路模擬開關(guān)帶來的導(dǎo)通電阻和漏電流的問題。

2.4AD釆集模塊
要達到比較高的測量精度，需要釆用高分辨率的ADC.AD7190是一款A(yù)-£型,轉(zhuǎn)換速率可達4.8kHz,分辨率達到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，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電壓為5V,其輸出信號的共模電壓為2.5V.稱重傳感器的輸出信號(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個數(shù)字接口的引腳/CS、SCLK、DIN、DOUT/RDY,通過隔離芯片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?，就會進行中斷服務(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電壓，這樣使得ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果跟AD7190的參考電壓無關(guān)，這就是比率激勵測量法的思想。能夠用一般的基準達到高精度的ADC轉(zhuǎn)換。
2.5測速模塊
皮帶秤的滾輪轉(zhuǎn)動起來，通過光電編碼器會產(chǎn)生速度脈沖信號,通過光隔TP521,除去速度信號上的毛刺,在經(jīng)過施密特觸發(fā)器74F132進一步去掉毛刺，最后由單片機進行處理⑷。當(dāng)LPC2142的外部中斷輸入設(shè)置為邊沿激活方式，就可以通過中斷對輸入的脈沖數(shù)進行處理。未經(jīng)過濾波的速度脈沖信號，如圖4所示。從圖可以看出這時雜波的幅值很大，很容易導(dǎo)致邏輯電平的錯誤。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中的雜波，輸出的速度方波信號如圖5所示

3抗干擾技術(shù)
3.1硬件抗干擾措施
在實際的應(yīng)用中，傳感器離控制器都有一定的距離，這時信號傳輸線的漏電阻，損耗電阻和分布電容會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，強電和弱電，模擬電路、數(shù)字電路都要分開'句。電源模塊上面的+5V和+15V,分別通過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,模擬地和AD7190的地單點接地，特別要防止走大電流的地線和ad7190的地線相互干擾。同時要保證所有電流的返回路徑都盡可能地靠近它們到達目的地所走的路徑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106的鋌電容和104陶瓷電容來去耦。同時輸入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,就是先在單片機的緩沖區(qū)中存入N個數(shù)據(jù)，形成了1個長度為N的隊列，然后每進1個采樣值，就把最新的1個數(shù)據(jù)放在隊尾，扔掉原來隊首的1個數(shù)據(jù)，這樣隊列中始終有N個最新的數(shù)據(jù)。對這N個數(shù)據(jù)取平均值,就可以得到最新的濾波值。遞推平均濾波法對周期干擾有良好的抑制作用，但對偶然出現(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重的場合，而適用于高頻振蕩系統(tǒng)囪。
4實驗結(jié)果及分析
4.1陣列式皮帶秤零點穩(wěn)定性實驗
在上位機的稱重系統(tǒng)中，通過設(shè)定測速傳感器的脈沖頻率為50Hz,皮帶秤空稱跑4圈，去皮校稱,測得的陣列式皮帶秤的校稱零點值，如表1所示。

所謂零點指的是空皮帶運行時所測出的重量值，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流量和總累計量。
當(dāng)測速傳感器輸入的是工頻脈沖時，皮帶跑一圈的時間為48.5s,跑的圈數(shù)越多，測量的零點值會越精確。一般取4~5圈左右，就能滿足實際的需要。這時皮帶秤零點值誤差精度在(7~8)Xi。-'表明陣列式皮帶秤的零點值是很穩(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驗及誤差分析
在工業(yè)測試現(xiàn)場，上位機設(shè)置皮帶機運行一圈的時間為48.5s,測得對應(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稱重的影響。然后
進行去皮、校稱標定,再通過RS-485總線通訊,調(diào)取下位機的數(shù)據(jù),并在上位機進行處理顯示。在瞬時流量分別為200t、500t、l000t進行動態(tài)稱重試驗。根據(jù)物流流量的理論值和實際值，求得稱重的誤差(%)，經(jīng)擬合后的誤差曲線。
3組試驗的動態(tài)稱重誤差精度都在0.2%之內(nèi)，每組試驗的動態(tài)誤差跟瞬時流量近似成線性關(guān)系。當(dāng)瞬時流量為500t/h時,動態(tài)稱重精度最高。根據(jù)式(1),當(dāng)物流均勻流過，皮帶速度穩(wěn)定時，可以得出,物流流量的近似計算公式：
q=3.    (2)
根據(jù)式(2)可知，當(dāng)小皮帶的速度恒定時，物流流量Q跟載荷分布g成比例關(guān)系。當(dāng)流量。變大時,q就成比例增大。因此，單位長度皮帶的承受的載荷變大，皮帶的張力變大,誤差被放大。在瞬時流量為500t/h時，對流量進行標定，得出的稱重精度是最高的;而瞬時流量在200tj000t時，皮帶的張力相對于500t/h的變化量分別為皿仏烏這樣就使得稱重誤差變大。由于瞬時流量與動態(tài)稱重誤差近似成線性關(guān)系，可以通過軟件補償，進一步的提高動態(tài)稱重精度。由于硬件電路、機械結(jié)構(gòu)、外界環(huán)境等都會對皮帶秤的精度產(chǎn)生影響，因此,要設(shè)計更高精度的皮帶秤,需要全面的考慮這些因素。
5結(jié)束語
基于LPC2142微控制器的陣列式皮帶秤，通過設(shè)計恰當(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，并在硬件上對測速脈沖信號進行濾波,減小了雜波的干擾。經(jīng)過的工業(yè)現(xiàn)場的測試，達到了很高的稱重精度。而且LPC2142強大的功能，有利于將來網(wǎng)絡(luò)接口等功能的擴展。測試結(jié)果表明這種陣列式皮帶秤具有良好的使用價值。

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