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基于DSP的稱重控制器設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2021-04-25 16:02:57 |來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

1引言
在玻璃行業(yè)中,通過(guò)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(jiǎn)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(duì)傳統(tǒng)單片機(jī),數(shù)字信號(hào)處理器在實(shí)時(shí)性,高速運(yùn)算等方面的優(yōu)勢(shì)巨大,將逐步成為工業(yè)控制的主流選擇。本設(shè)計(jì)針對(duì)玻璃配料過(guò)程中存在的稱重精度不高,自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題,采用了高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812(F2812)作為核心器件??刂破髟谠O(shè)計(jì)了友好人機(jī)界面的基礎(chǔ)上,專門(mén)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(guò)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(dòng)力裝置。備料斗用來(lái)存儲(chǔ)一定量的待測(cè)物料,備料斗下方的出料口由電振機(jī)的驅(qū)動(dòng),通過(guò)改變電振機(jī)的振動(dòng)速度可以改變備料斗的出料的速度[1]。備料斗下方是計(jì)量斗,它是一個(gè)放置在稱重傳感器上的懸浮容器,控制器通過(guò)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(kāi)始稱重過(guò)程時(shí),稱重控制器發(fā)出控制信號(hào),備料斗開(kāi)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(cè)得重量信號(hào),信號(hào)經(jīng)處理還原為物料的重量??刂破髯詣?dòng)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(hào)并驅(qū)動(dòng)備料斗進(jìn)行慢速下料,使測(cè)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(hào)時(shí),會(huì)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(cè)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(dòng)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(hào),打開(kāi)計(jì)量斗排出稱重完畢的物料,完成一次稱重控制過(guò)程。結(jié)合以上工作過(guò)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(hào)調(diào)理電路、顯示/鍵盤(pán)模塊、串口通信模塊組成。F2812作為一款32位的數(shù)字信號(hào)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(chǔ)空間大可滿足大部分程序設(shè)計(jì)要求;支持45個(gè)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(gè)串行通信接口(SCI)以及一個(gè)串行外圍接口(SPI),可簡(jiǎn)化通訊接口設(shè)計(jì),使系統(tǒng)緊湊[2]。

控制器系統(tǒng)硬件框圖

3.1信號(hào)調(diào)理電路
信號(hào)調(diào)理電路主要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換前的信號(hào)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(hào)的放大問(wèn)題。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,以10V電壓激勵(lì)靈敏度為2mV/V的稱重傳感器,其滿量程輸出信號(hào)電壓為20mV[3]。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(gè)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(gè)OP07組成第一級(jí)差分放大電路,右側(cè)OP07為第二級(jí)差分放大,調(diào)節(jié)1kΩ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150倍,需要將可變電阻R調(diào)節(jié)到1.33Ω。采用此種電路輸入阻抗高,共模抑制比高[4]。為了防止意外情況下輸入電壓超過(guò)DSP的工作電壓而損壞芯片,在信號(hào)輸入DSP引腳之前還需外接一個(gè)3V的穩(wěn)壓管。

稱重傳感器放大電路原理圖

3.2A/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[5]。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(jiǎn)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(gè)通道之間的誤差典型值小于0.2%,通過(guò)采樣另外2個(gè)采樣通道的已知參考電壓xH、xL,得出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果
yH、yL,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10μF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(gè)輸入腳。A0為待測(cè)模擬信號(hào)輸入引腳,A6、A7為已知電壓信號(hào)的輸入引腳。為了盡量減少了數(shù)字電路對(duì)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(hào)線分開(kāi)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(kāi)放置。

A/D采樣校準(zhǔn)參考電源示意圖

3.3鍵盤(pán)和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路
稱重控制器的人機(jī)交互通過(guò)6位LED數(shù)碼管和3×
4矩陣鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)。3×4矩陣鍵盤(pán)中的10個(gè)鍵對(duì)應(yīng)數(shù)字
0至9,外加一個(gè)“確定鍵”和一個(gè)“功能鍵”。數(shù)碼管和按鍵較多會(huì)不利于使用軟件控制,所以采用數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤(pán)控制芯片CH451來(lái)檢測(cè)按鍵和驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。
CH451是一款集數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)掃描控制于一體的多功能外圍芯片,可以方便地與DSP組成系統(tǒng)。CH451通過(guò)復(fù)用DIGx和SEGx引腳,定期在顯示驅(qū)動(dòng)掃描過(guò)程中插入鍵盤(pán)掃描[7]。數(shù)碼管的個(gè)數(shù)決定需要使用SEG0-SEG7的8個(gè)引腳和DIG0-5的6個(gè)引腳。矩陣鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)為3行4列,設(shè)計(jì)使用SEG0-3這4個(gè)引腳與DIG0-2這3個(gè)引腳。DCLK、DIN、LOAD和DOUT管腳連接F2812對(duì)應(yīng)管腳,具體硬件連接圖見(jiàn)圖4。

硬件連接接口電路圖

3.4通信接口
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(gè)全雙工SCI(SerialCommunicationInterface,串行通信接口)完成。RS232標(biāo)準(zhǔn)定義邏輯“1”信號(hào)相對(duì)于地為3V至25V,而邏輯“0”相對(duì)于地為-3V至-25V。所以需要一個(gè)RS232驅(qū)動(dòng)器來(lái)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(jiǎn)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(yǔ)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(dòng)控制程序等模塊。

稱重控制器主程序流程圖

軟件濾波相對(duì)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(dòng)平均濾波法等[9][10]。上述方法編程容易、對(duì)處理器要求不高,缺點(diǎn)是算法相對(duì)簡(jiǎn)單,濾波效果不理想。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字濾波器對(duì)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(wú)限沖激響應(yīng)濾波器。軟件濾波程序作為自動(dòng)控制程序的一個(gè)子程序在稱重控制開(kāi)始后被調(diào)用。
在自動(dòng)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[11]。除了把偏差值E作為參考量外,還把偏差變化率ΔE也引入到控制中來(lái)。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(duì)控制精度的影響,優(yōu)化控制器的性能。
5結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)針對(duì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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。

 

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