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1引言
在玻璃行業(yè)中,通過電振機(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)簡單控制方便。在此基礎(chǔ)上設(shè)計的稱重控制器大多以傳統(tǒng)單片機(jī)為核心。相對傳統(tǒng)單片機(jī),數(shù)字信號處理器在實(shí)時性,高速運(yùn)算等方面的優(yōu)勢巨大,將逐步成為工業(yè)控制的主流選擇。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?？刂破髟谠O(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[1]。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(diǎn)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(shí)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[2]。

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[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)1kΩ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。

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(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實(shí)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。

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(shí)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DSP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[7]。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。

3.4通信接口
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(SerialCommunicationInterface,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。
4軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要在CCS軟件下由C語言設(shè)計完成。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,計算質(zhì)量程序,自動控制程序等模塊。

軟件濾波相對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,滑動平均濾波法等[9][10]。上述方法編程容易、對處理器要求不高,缺點(diǎn)是算法相對簡單,濾波效果不理想。本設(shè)計采用數(shù)字濾波器對數(shù)據(jù)濾波,數(shù)字濾波器是由MATLAB中的濾波器設(shè)計工具箱設(shè)計的無限沖激響應(yīng)濾波器。軟件濾波程序作為自動控制程序的一個子程序在稱重控制開始后被調(diào)用。
在自動控制算法上,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。在鄰近速度切換的閾值時,同時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”對控制精度的影響,優(yōu)化控制器的性能。
5結(jié)束語
本設(shè)計針對玻璃企業(yè)原有配料系統(tǒng)特點(diǎn),給出了一種稱重控制器的設(shè)計方法。經(jīng)過現(xiàn)場運(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)計要求,具有一定實(shí)用價值。

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