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1引言
隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器、電子技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，稱重技術(shù)迅速發(fā)展,其稱重裝置在數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化等方面有長(zhǎng)足的進(jìn)步。快速、準(zhǔn)確、操作方便、消除人為誤差、功能多樣化等方面己成為現(xiàn)代稱重技術(shù)的主要特點(diǎn)。稱重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和管理的現(xiàn)代化。
皮帶秤是一種重要的稱重儀表，由于其具有動(dòng)態(tài)測(cè)量和自動(dòng)在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用。它可以起到減員增效、節(jié)支創(chuàng)收、減少誤差的作用，還可以提高管理、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度,從而大大提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。
原有的皮帶秤控制器大多釆用8位單片機(jī)，在數(shù)據(jù)的釆集和處理上，速度和精度都不是很高。雖然8位單片機(jī)的技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)已經(jīng)很成熟，但隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展必將逐漸被性能更先進(jìn)、功耗更低的16位或32位單片機(jī)所取代。本系統(tǒng)使用了32位ARM7核的嵌入式微控制器，提高了測(cè)速精度，改進(jìn)了皮帶秤的性能。
2系統(tǒng)組成以及誤差分析
皮帶秤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要由三個(gè)主要部分組成:動(dòng)態(tài)秤、靜態(tài)秤和控制器。動(dòng)態(tài)秤主要完成了單位時(shí)間內(nèi)給定流量的配料;靜態(tài)秤緩沖由動(dòng)態(tài)秤送到其斗中的配料，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)打開斗門將給定流量的配料送出，實(shí)現(xiàn)了二次校準(zhǔn)，提高了皮帶秤配料的精度;控制器實(shí)現(xiàn)了荷重與速度采集、算法實(shí)現(xiàn)和對(duì)動(dòng)態(tài)秤電機(jī)以及靜態(tài)秤斗門的控制。如圖1所示：

圖1皮帶秤控制原理
Figure1Controlprincipleofbeltweighingdevice
皮帶秤誤差產(chǎn)生的因素很多，綜合分析主要有以下幾個(gè)方面:稱量力誤差;皮帶速度誤差;信號(hào)處理誤差;校準(zhǔn)誤差;環(huán)境影響誤差。為了提高皮帶秤的計(jì)量精度，減少誤差,針對(duì)使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況，選擇相應(yīng)的設(shè)備，提高安裝技術(shù)水平，正確的維護(hù)以及有效的校準(zhǔn)。環(huán)境、機(jī)械制造、安裝等因素造成的誤差是不可避免的，而且在這些方面計(jì)量精度的改進(jìn)不大，但是采用微計(jì)算機(jī)控制皮帶秤可以最大限度的減小皮帶測(cè)速誤差和信號(hào)處理誤差，進(jìn)而也減小了其他因素對(duì)皮帶秤計(jì)量精度的影響。
3高精度測(cè)速技術(shù)研究
3.1嵌入式微控制器
系統(tǒng)核心控制器選型是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是測(cè)速精度改進(jìn)的關(guān)鍵。皮帶秤控制器需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，其外圍設(shè)備比較多，內(nèi)部需要執(zhí)行大量的數(shù)據(jù)處理、控制和通訊等，而且計(jì)算精度要求高、計(jì)算量大，因此軟件較龐大，要求執(zhí)行速度比較快;另外，所選用微控制器必須考慮到實(shí)用、可靠、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
考慮到以上因素，我們選用Philips公司的嵌入式微控制器LPC2132。LPC2132以32位的ARM7TDMI-S為內(nèi)核,2個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)UART、1個(gè)10位8路的ADCJ0位DACJIC、PWM通道、47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使其非常適合本系統(tǒng)的開發(fā)；內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和16kB的片內(nèi)SRAM,提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能，非常適合于通信;內(nèi)部嵌入64k的高速Flash存儲(chǔ)器,128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行;內(nèi)部PLL時(shí)鐘調(diào)整,可以達(dá)到最高60MHz的工作頻率;支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤，使系統(tǒng)開發(fā)更加有效;較小的封裝，功耗很低。
3.2速度脈沖釆集精度改進(jìn)
皮帶秤控制系統(tǒng)中,速度是一個(gè)及其重要的參數(shù)，速度的釆集精度要依靠穩(wěn)定且準(zhǔn)確的傳感器獲得。所以，測(cè)速傳感器的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度、精確度和穩(wěn)定性等等。因此，測(cè)速傳感器的選用極為重要。
采用脈沖測(cè)速傳感器，脈沖測(cè)速傳感器輸出方波信號(hào)，其輸出脈沖個(gè)數(shù)、脈沖波形、脈沖占空比以及相鄰兩通道輸出脈沖波形相位差等技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到要求毗種傳感器可用。脈沖傳感器F1測(cè)速時(shí)，齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,脈沖個(gè)數(shù)與齒輪齒數(shù)相同。齒輪個(gè)數(shù)為岡M,齒輪轉(zhuǎn)速為N(r/min),則每秒鐘產(chǎn)生脈沖個(gè)數(shù)為MN/60,標(biāo)定每'I1個(gè)脈沖皮帶走過的距離是s(mm),則皮帶速度為MNs/60(mm/s)。
當(dāng)皮帶秤轉(zhuǎn)速很高時(shí)，釆用上面的測(cè)速方法還是能夠得到II一個(gè)較理想的皮帶速度值;但是,當(dāng)皮帶秤轉(zhuǎn)速很慢時(shí)，甚至每秒bi鐘轉(zhuǎn)動(dòng)不超過一個(gè)齒時(shí),顯然上面的方法是不可行的。速度脈沖FJ的釆集需要進(jìn)一步地改進(jìn),需要更多的標(biāo)定量。
競(jìng)利用LPC2132的定時(shí)器功能可以得到更加精確的速度脈LJ沖釆集值。設(shè)置LPC2132定時(shí)器1相關(guān)寄存器,使能下降沿中斷捕獲功能。將高精度脈沖測(cè)速傳感器信號(hào)輸出引腳與LPC2132的捕獲管腳相連，當(dāng)有速度脈沖信號(hào)輸入時(shí)，信號(hào)由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平時(shí)LPC2132將產(chǎn)生定時(shí)器捕獲中斷,進(jìn)入中斷后可以記錄捕獲到的速度脈沖個(gè)數(shù)，更重要的是還可以同時(shí)讀取由定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器中保存的每個(gè)用于速度計(jì)算的脈沖占用的LPC2132處理器周期數(shù)。至此，得到了兩個(gè)以上速度脈沖釆集的標(biāo)定量，速度脈沖釆集得到改進(jìn)。
3.3速度脈沖計(jì)算精度改進(jìn)
設(shè)置LPC2132定時(shí)器0相關(guān)寄存器，使能1秒定時(shí)中斷，且優(yōu)先級(jí)最高;設(shè)置定時(shí)器1相關(guān)寄存器，使能下降沿中斷捕獲功能。每次進(jìn)入捕獲中斷，保存所需各標(biāo)定量的值;每1秒到進(jìn)入中斷，讀取各標(biāo)定量的值，計(jì)算瞬時(shí)速度。假定1秒定時(shí)到，實(shí)際捕獲的速度脈沖波形如圖2所示：

圖2速度脈沖計(jì)算
Figure2Thecalculationofimpulsevelocity
可以很直觀的看出，在1秒定時(shí)開始和結(jié)束的時(shí)候,捕獲到不完整的脈沖信號(hào)。tl為1秒定時(shí)開始捕獲到的脈沖信號(hào)的時(shí)間,t2為1秒定時(shí)結(jié)束得到的脈沖信號(hào)的時(shí)間,Id為1秒定時(shí)開始到最后一次捕獲到下降沿的累計(jì)時(shí)間,Tg為1秒時(shí)間恒定值。t|在捕獲中斷時(shí)，讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器值獲得,T心在每次進(jìn)入捕獲中斷時(shí),計(jì)數(shù)寄存器的值累加得到,&等于T.與T心的差值。要得到速度的計(jì)算值，還需要引入兩個(gè)量T,和1,分別為前后兩個(gè)不完整脈沖信號(hào)的完整周期時(shí)間值。電機(jī)運(yùn)行過程中，速度不可能突變，所以匚與T|取停其前一?脈沖的周期時(shí)間。因此，我們得到瞬時(shí)速度v:v專+(C-l)+3    (1)其中C為1秒內(nèi)捕獲到的下降沿個(gè)數(shù)，所有的時(shí)間量以LPC2132處理器周期個(gè)數(shù)為單位。
1秒時(shí)間內(nèi)，捕獲到一個(gè)或多個(gè)下降沿，公式⑴總是成立的，但是1秒時(shí)間內(nèi)沒有捕獲到下降沿，公式⑴就不能成立。此時(shí)，瞬時(shí)速度v釆用公式(2)：    t
T,(2)即使電機(jī)運(yùn)行速度非常緩慢，公式⑵也能得到當(dāng)前的瞬時(shí)速度v。但是,電機(jī)突然停止，公式(2)就不再適用了。因此，根據(jù)電機(jī)速度不可能突變，程序里需要判斷臨近兩個(gè)脈沖周期差值也不會(huì)突變來斷定電機(jī)是否停止，電機(jī)停止則v置零。
皮帶秤運(yùn)行時(shí)，電機(jī)可能在某一時(shí)刻處于加速或減速狀態(tài)，此時(shí)公式⑴中的tJT『與項(xiàng)的值可能出現(xiàn)大于1的情況，因此,必須在程序中判斷并避免這種情況，取t"T『與t2小近似等于0.99。另外,實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)干擾，使定時(shí)捕獲產(chǎn)生誤差，根據(jù)電機(jī)速度不可能突變，程序里需要判斷臨近兩次完整脈沖周期差值也不會(huì)突變來消除抖動(dòng)干擾。電機(jī)運(yùn)行速度非常緩慢時(shí)，定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器可能產(chǎn)生溢出，應(yīng)及時(shí)讀取和清空。
根據(jù)以上分析，編程流程圖如圖3所示：

4結(jié)論
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上保留原有的皮帶秤裝置，釆用了新型的ARM皮帶秤控制器。選用32位嵌入式ARM7微控制器，不但提供了豐富的外圍部件，而且性能優(yōu)越,數(shù)據(jù)釆集準(zhǔn)確，處理速度快，運(yùn)行穩(wěn)定。軟件開發(fā)獲得較以往更加準(zhǔn)確的速度測(cè)定值，皮帶秤測(cè)速精度得到改進(jìn)。因此，皮帶秤配料系統(tǒng)控制性能得到進(jìn)一步的改善，而且響應(yīng)快，誤差小;同時(shí)釆用32位ARM7數(shù)字控制器和分布式控制系統(tǒng)，功能強(qiáng)大。系統(tǒng)集控制、測(cè)試、管理于一體，便于二次開發(fā)、系統(tǒng)升級(jí)和技術(shù)移植，性價(jià)比高。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):原有的皮帶秤控制器，釆用脈沖計(jì)數(shù)方法測(cè)速，精度不高，從而影響了整個(gè)皮帶秤的計(jì)量精度。在原有的皮帶秤裝置基礎(chǔ)上，釆用新型的32位嵌入式ARM微控制器作為皮帶秤控制器,得到精度較高的速度測(cè)定值，改善了皮帶秤的計(jì)量精度。
 

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