稱重控制器設(shè)計中的DSP實現(xiàn)

1 引言

　　本設(shè)計針對玻璃配料過程中存在的稱重精度不高， 自動化程度不高等問題， 采用了高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812(F2812)作為核心器件。控制器在設(shè)計了友好人機(jī)界面的基礎(chǔ)上，專門設(shè)計了與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、計量斗和相關(guān)動力裝置。備料斗用來存儲一定量的待測物料， 備料斗下方的出料口由電振機(jī)的驅(qū)動， 通過改變電振機(jī)的振動速度可以改變備料斗的出料的速度。備料斗下方是計量斗，它是一個放置在稱重傳感器上的懸浮容器，控制器通過解讀傳感器的數(shù)據(jù)得到計量斗內(nèi)的物料質(zhì)量。

　　當(dāng)開始稱重過程時， 稱重控制器發(fā)出控制信號， 備料斗開始快速下料， 物料進(jìn)入計量斗后， 由計量斗下方的傳感器測得重量信號， 信號經(jīng)處理還原為物料的重量。控制器自動比較當(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(如10%，即達(dá)到目標(biāo)重量的90%)，發(fā)出信號并驅(qū)動備料斗進(jìn)行慢速下料，使測得的重量值變化減緩，有利于精確控制。每當(dāng)控制器發(fā)出停止加料信號時，會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(即點動加料模式)， 直至重量達(dá)到目標(biāo)值。然后控制器發(fā)出信號， 打開計量斗排出稱重完畢的物料，完成一次稱重控制過程。結(jié)合以上工作過程控制器設(shè)計如下。

　　3 控制器硬件實現(xiàn)

　　控制器硬件框圖由圖1 給出， 主要由F2812、信號調(diào)理電路、顯示/ 鍵盤模塊、串口通信模塊組成。F2812作為一款32 位的數(shù)字信號處理器， 采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，計算能力強(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)，存儲空間大可滿足大部分程序設(shè)計要求;支持45 個外圍中斷， 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)計時不必增加額外的硬件;具有兩個串行通信接口(SCI)以及一個串行外圍接口(SPI)，可簡化通訊接口設(shè)計，使系統(tǒng)緊湊。

　　
圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　3.1 信號調(diào)理電路

　　信號調(diào)理電路主要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換前的信號的濾波和放大， 由于本設(shè)計采取軟件濾波， 所以主要考慮信號的放大問題。在現(xiàn)場應(yīng)用中，以10V 電壓激勵靈敏度為2mV/V 的稱重傳感器，其滿量程輸出信號電壓為20mV。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)計采用由3 個運(yùn)算放大器組成的儀用放大電路(圖2)。電路中左側(cè)兩個OP07 組成第一級差分放大電路，右側(cè)OP07 為第二級差分放大， 調(diào)節(jié)1k Ω可變電阻即可調(diào)節(jié)電路的增益。經(jīng)計算要使增益調(diào)節(jié)達(dá)到15 0 倍，需要將可變電阻R 調(diào)節(jié)到1.33 Ω。采用此種電路輸入阻抗高，共模抑制比高。為了防止意外情況下輸入電壓超過DSP 的工作電壓而損壞芯片，在信號輸入DSP 引腳之前還需外接一個3V 的穩(wěn)壓管。

　　
圖2 放大電路原理圖

　　3.2 A/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。本設(shè)計采用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)上簡化電路設(shè)計。

　　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實際輸出與零的偏差。本設(shè)計采用了采樣校準(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 個通道之間的誤差典型值小于0.2%，通過采樣另外2 個采樣通道的已知參考電壓H x 、L x ， 得出A / D 轉(zhuǎn)換結(jié)果H y 、L y ，再利用求解線形方程組的原理計算出增益誤差和偏移誤差，然后計算出較精確的轉(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。使用時外接10 μ F 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)換通道的三個輸入腳。A0 為待測模擬信號輸入引腳，A6、A7 為已知電壓信號的輸入引腳。為了盡量減少了數(shù)字電路對模擬電路的干擾，本設(shè)計在PCB 布局時將ADCINxx 引腳模擬線遠(yuǎn)和數(shù)字信號線分開放置，并將A/D 模塊的功率引腳線所連的電源和地與數(shù)字電源和地分開放置。

　　
圖3 A/D 采樣校準(zhǔn)參考電源示意圖

3.3 鍵盤和數(shù)碼管驅(qū)動電路

　　稱重控制器的人機(jī)交互通過6 位LED 數(shù)碼管和3 ×4 矩陣鍵盤實現(xiàn)。3 × 4 矩陣鍵盤中的10 個鍵對應(yīng)數(shù)字0 至9，外加一個“確定鍵”和一個“功能鍵”。數(shù)碼管和按鍵較多會不利于使用軟件控制，所以采用數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤控制芯片CH451 來檢測按鍵和驅(qū)動數(shù)碼管。

　　CH451 是一款集數(shù)碼管顯示驅(qū)動、鍵盤掃描控制于一體的多功能外圍芯片， 可以方便地與D S P 組成系統(tǒng)。

　　CH451 通過復(fù)用DIGx 和SEGx 引腳，定期在顯示驅(qū)動掃描過程中插入鍵盤掃描。數(shù)碼管的個數(shù)決定需要使用SEG0-SEG7 的8 個引腳和DIG0-5 的6 個引腳。矩陣鍵盤的結(jié)構(gòu)為3 行4 列，設(shè)計使用SEG0-3 這4 個引腳與DIG0-2 這3 個引腳。DCLK、DIN、LOAD 和DOUT管腳連接F2812 對應(yīng)管腳，具體硬件連接圖見圖4。

　　
圖4 CH451 接口電路

　　為了便于遠(yuǎn)程監(jiān)控， 稱重控制器設(shè)計有串行通信接口[8]。設(shè)計利用主控芯片F(xiàn)2812上自帶的兩個全雙工SCI(Serial Communication InteRFace，串行通信接口)完成。

　　RS232 標(biāo)準(zhǔn)定義邏輯“1”信號相對于地為3V 至25V，而邏輯“0”相對于地為- 3V 至- 25V。所以需要一個RS232 驅(qū)動器來轉(zhuǎn)換電平，本設(shè)計采用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。該芯片使用簡單，電路連接圖便不再給出。

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