基于DSP的稱(chēng)重控制器設(shè)計(jì)

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(chēng)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(chēng)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。控制器在設(shè)計(jì)了友好人機(jī)界面的基礎(chǔ)上，專(zhuān)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(chēng)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。備料斗下方是計(jì)量斗，它是一個(gè)放置在稱(chēng)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(chēng)重過(guò)程時(shí)， 稱(chēng)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。控制器自動(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(chēng)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(chēng)重完畢的物料，完成一次稱(chēng)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(xiàn)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(chēng)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(mǎn)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。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖。

　　3.1 信號(hào)調(diào)理電路

圖2 放大電路原理圖。

　　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(chēng)重傳感器，其滿(mǎn)量程輸出信號(hào)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(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)1k Ω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(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。

　　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(chēng)重控制器的精度。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)。