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1 、前言
隨著生活質(zhì)量的不斷提高與電子技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，社會(huì)大眾對(duì)食品包裝設(shè)備的智能性和安全性提出了更高的要求。一方面，業(yè)者希望食品包裝設(shè)備滿足多功能、高效率、低功耗的優(yōu)點(diǎn)；另一方面，消費(fèi)者要求食品包裝過程全自動(dòng)完成，避免人工污染。 因此，筆者設(shè)計(jì)了一種高精度采集稱重主控儀表，該儀表采集模塊是基于 24 位 △－∑ 型串行 CS5532A/D 轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)；工序控制采用分程控制理論的算法設(shè)計(jì)，保證了目標(biāo)數(shù)據(jù)采集的精度和速度。
該主控儀表滿足功能和技術(shù)指標(biāo)、可靠性要求、操作與維護(hù)性和性價(jià)比高的設(shè)計(jì)原則，可適用于各種中小類食品，目前已投入使用。
2 、主控儀表整體架構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的高精度采集稱重主控儀表主要由單片機(jī)模塊、開關(guān)電源模塊、稱重采集模塊，人機(jī)界面模塊、打印模塊和通訊模塊組成，如圖 1 所示。
稱重傳感器得到的稱重信號(hào)在濾波、 放大之后送至 A/D 轉(zhuǎn)換電路，再由單片機(jī)進(jìn)行處理、記錄，經(jīng)過譯碼后最后送到顯示屏實(shí)時(shí)顯示。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括一系列控制加料的電機(jī)、傳送帶和稱量漏斗等。 儀表能通過通訊串口與上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，此外，過程數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶需求長期保存在備份儲(chǔ)存器內(nèi)， 以備外接熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)打印。
3 、主控儀表工序集成控制
3.1 誤差分析
儀表的可能誤差主要有：采集模塊的采樣精度和采樣速度；放料完畢殘留在稱重料斗的物料；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的延時(shí)誤差；物料下料時(shí)的沖擊力；關(guān)閉加料門后空中的物料。
其中前兩種可能誤差可以由藉由提高 A/D 采集模塊的精度來完善， 而其余的誤差必須通過設(shè)定合適的控制參數(shù)來規(guī)避與修正。 在本儀表中， 控制參數(shù)主要包括加料提前量和避沖時(shí)間等， 可以根據(jù)用戶經(jīng)驗(yàn)設(shè)定或通過系統(tǒng)自學(xué)習(xí)模式探取最佳參數(shù)組合。
3. 2 加料提前量與避沖時(shí)間
引入粗 / 細(xì)加料提前量是為了保證稱重儀表的加料速度與精度。 提前量是目標(biāo)重量與實(shí)際重量的差值，若目標(biāo)重量為 3kg,粗加料提前量設(shè)為 1kg, 則物料快加至重量為 2kg 時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)加料方式，實(shí)現(xiàn)了兩種加料方式的切換。
在加料過程中物料產(chǎn)生的沖力是影響稱重精度的一個(gè)重要因素。 當(dāng)粗加料開始時(shí)，物料對(duì)漏斗的沖力最大，容易超出量程，因此可以設(shè)定避沖時(shí)間來規(guī)避這段時(shí)間內(nèi)的重量稱量， 待沖力穩(wěn)定或減小至可允許狀態(tài)下再繼續(xù)稱量。
3. 3 自學(xué)習(xí)模式
自學(xué)習(xí)模式是一種初級(jí)的人工智能專家系統(tǒng) --- 具有大量的專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，能對(duì)決策的過程作出解釋，并有學(xué)習(xí)功能，即能自動(dòng)增長解決問題所需的知識(shí)。 自學(xué)習(xí)模式采用分程控制理論，經(jīng)過多組的操作模擬，智能判斷出最優(yōu)化的控制參數(shù)配合并進(jìn)行記錄，作為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。
分程控制系統(tǒng)是由一個(gè)控制器的輸出信號(hào)分段去控制兩個(gè)以上執(zhí)行器， 并根據(jù)輸出結(jié)果對(duì)執(zhí)行器參數(shù)進(jìn)行修正的系統(tǒng) [1] 。在本系統(tǒng)中，給定系統(tǒng)目標(biāo)重量，設(shè)定初始粗 / 細(xì)加料提前量與避沖時(shí)間，控制器為傳感器測(cè)得重量，執(zhí)行器分別為粗 / 細(xì)加料閥門，根據(jù)輸出重量的精確程度，反饋控制設(shè)定值，如圖 2 所示。具體控制方法為： 若測(cè)量值與目標(biāo)值絕對(duì)值誤差達(dá) 1% 以上，則控制器根據(jù)誤差方向以 0.01kg 為單位自行修正加料提前量，直到測(cè)量誤差在 1% 的允許范圍之內(nèi)。
4 、主控儀表硬件采集模塊
本設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用 Cirrus Logic 公司的低噪聲 24 位△－∑ 型 A/D 轉(zhuǎn)換器 CS5532 接口芯片，稱重傳感器選用中航電測(cè)公司的 L6H5 平行梁結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。
CS5532 接口芯片測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)特性寬，且差動(dòng)輸入端可以直接測(cè)量來自傳感器的毫伏信號(hào)， 簡化了與外圍電路的連接 [2] 。 如圖 3 ， CS5532 需要外接 4.9125MHz 的晶振，增益放大器電容 C1 和 C2 之間接 22nF 的電容 C4 ， 通道一和參考電壓經(jīng)過多級(jí) RC 濾波電路輸入。 單片機(jī)的 P1.3 口控制 CS5532 的片選端 (CS) ， P1.2 ,P1.1 和 P1.0 口分別與串行通訊的三根線 (SDI,SDO,SCLK) 連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的命令數(shù)據(jù)傳送 [3] 。
壓力傳感器的連接方法是紅輸入 (＋) 接稱重采集模塊的 V＋,藍(lán)反饋 (+) 接 VS＋ ，白輸出 (-) 接 IN- ，棕反饋 (-) 接 VS- ，黑輸入 (-)接 V- ，綠輸出 (+) 接 IN＋ ，屏蔽接 GND 。由于采用壓力傳感器平行梁結(jié)構(gòu)，因此不同傳感器之間需要串聯(lián) [4] 。
5 、主控儀表程序設(shè)計(jì)
主控儀表的程序設(shè)計(jì)思想是采用控制空罐到位和物料到量兩條并行同步的流水線， 實(shí)現(xiàn)了包裝效率與包裝精度的統(tǒng)一。 在操作工序上， 操作人員須設(shè)定班號(hào)與物料的類號(hào)、 最優(yōu)的稱重提前量與避沖時(shí)間， 使用粗加料和細(xì)加料兩級(jí)加料方式， 加料入罐后，在顯示屏上顯示實(shí)際重量，計(jì)數(shù)自動(dòng)累加并進(jìn)入下一道加料工序，如圖 4 。
稱重采集處理是儀表精確度與準(zhǔn)確度的關(guān)鍵， 其主要功能模塊分為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示。
5.1 數(shù)據(jù)采集
A/D 數(shù)據(jù) 的 采 集 由 CS5532模塊完成，包括 CS5532 的初始化和啟動(dòng)轉(zhuǎn)化。 由于 CS5532 沒有提供系統(tǒng)上電自動(dòng)復(fù)位功能， 必須先對(duì) CS5532 串口初始化和系統(tǒng)復(fù)位，完成后再設(shè)置通道寄存器和結(jié)構(gòu)寄存器，最后執(zhí)行轉(zhuǎn)換指令后就可以從 SDO 口讀出轉(zhuǎn)換值。 A/D 轉(zhuǎn)換命令為 C0H(11000000B) ，寫入轉(zhuǎn)換命令后， CS5532 開始連續(xù)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 [5] 。
5.2 數(shù)據(jù)處理與顯示
A/D 數(shù)據(jù)處理與顯示需滿足儀表準(zhǔn)度、精度和速度的要求。數(shù)據(jù)處理主要包括零點(diǎn)追蹤、 濾波處理、 分格度顯示和重量換算；數(shù)據(jù)顯示程序形成模塊化，方便同類儀表移植。
由于在每次加料和放料后， 下料沖力的影響以及物料可能粘于斗壁，導(dǎo)致稱量零點(diǎn)漂移。 修正辦法為在設(shè)定的零位追蹤范圍內(nèi)，當(dāng)稱量重量的維持時(shí)間超過零位追蹤時(shí)間的時(shí)候，將重量清零，也就是重新修正零點(diǎn)內(nèi)碼和標(biāo)定內(nèi)碼。
濾波處理采用遞推平均濾波法，取一隊(duì)列存放 N 個(gè)最近的歷史內(nèi)碼數(shù)據(jù) (N 為用戶設(shè)定的濾波參數(shù) ) ，將新測(cè)量的結(jié)果放入隊(duì)尾，去掉隊(duì)首的數(shù)據(jù)。 該濾波模型平滑度高，對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用 [6] 。 如公式 1 所示。 其中 y(k) 為第 k 次濾波輸出值，x(k-i) 為依次向前遞推 i 次的采樣值， N 為遞推平均項(xiàng)數(shù)。
分格度是數(shù)值末位的跳變方式， 處理方法是根據(jù)小數(shù)點(diǎn)位數(shù)將重量數(shù)值放大至無小數(shù)狀態(tài)， 將放大后的數(shù)值存放到一個(gè)整型數(shù)中，把這個(gè)整型數(shù)減掉這個(gè)數(shù)與分格度的模即可。
因?yàn)闃?biāo)定重量與實(shí)際重量之間呈現(xiàn)一種線形關(guān)系， 因此標(biāo)定單位重量后， 將濾波后的 24 位 A/D 內(nèi)碼代入下列公式 2，即可換算出實(shí)際重量。
6、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析
設(shè)定目標(biāo)重量 3kg, 快加提前量 1.6kg ，慢加提前量 0.4kg，稱量 20 次，記錄耗時(shí)和稱量值。
由稱量結(jié)果知，誤差范圍在3g之內(nèi)，誤差率小于0.1%，且加料速度較快，保證1000罐/時(shí)的包裝速度，實(shí)現(xiàn)了稱量結(jié)果準(zhǔn)度、精度和速度的有機(jī)統(tǒng)一。 該主控儀表后續(xù)加入添湯、封口和貼標(biāo)等設(shè)備，即可作為一臺(tái)完整的自動(dòng)定量稱重包裝系統(tǒng)，穩(wěn)定投入生產(chǎn)。

7 、結(jié)束語
采用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器 CS5532 模塊， 運(yùn)用分程控制理論與合理的工序算法，設(shè)計(jì)了一種精確度高、兼容性強(qiáng)、界面友好的高精度采集稱重主控儀表。 該儀表具有模塊化、智能化、定制化的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于罐頭等食品的包裝工藝中，具有廣闊的市場前景。

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