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1 引言

隨著微計算機技術、 傳感器、 電子技術和通訊技術的發(fā)展 , 稱重技術迅速發(fā)展 , 其稱重裝置在數(shù)字化、 智能化和網絡化等方面有長足的進步?？焖佟?nbsp;準確、 操作方便、 消除人為誤差、 功能多樣化等方面己成為現(xiàn)代稱重技術的主要特點。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)的一個組成部分 , 推進了工業(yè)生產的自動化和管理的現(xiàn)代化。

皮帶秤是一種重要的稱重儀表 , 由于其具有動態(tài)測量和自動在線測量等優(yōu)點 , 被廣泛地應用。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、 提高勞動生產率、 降低勞動強度 , 從而大大提高了生產的自動化程度。

原有的皮帶秤控制器大多采用 8 位單片機 , 在數(shù)據(jù)的采集和處理上 , 速度和精度都不是很高。 雖然 8 位單片機的技術應用在國內已經很成熟 , 但隨著微處理器技術的發(fā)展必將逐漸被性能更先進、 功耗更低的 16 位或 32 位單片機所取代。本系統(tǒng)使用了 32 位 ARM7 核的嵌入式微控制器 , 提高了測速精度 , 改進了皮帶秤的性能。

2 系統(tǒng)組成以及誤差分析

皮帶秤控制系統(tǒng)結構上主要由三個主要部分組成 : 動態(tài)秤、靜態(tài)秤和控制器。動態(tài)秤主要完成了單位時間內給定流量的配料 ; 靜態(tài)秤緩沖由動態(tài)秤送到其斗中的配料 , 在規(guī)定時間內打開斗門將給定流量的配料送出 , 實現(xiàn)了二次校準 , 提高了皮帶秤配料的精度 ; 控制器實現(xiàn)了荷重與速度采集、 算法實現(xiàn)和對動態(tài)秤電機以及靜態(tài)秤斗門的控制。

皮帶秤誤差產生的因素很多 , 綜合分析主要有以下幾個方面 : 稱量力誤差 ; 皮帶速度誤差 ; 信號處理誤差 ; 校準誤差 ; 環(huán)境影響誤差。為了提高皮帶秤的計量精度 , 減少誤差 , 針對使用現(xiàn)場環(huán)境狀況 , 選擇相應的設備 , 提高安裝技術水平 , 正確的維護以及有效的校準。環(huán)境、 機械制造、 安裝等因素造成的誤差是不可避免的 , 而且在這些方面計量精度的改進不大 , 但是采用微計算機控制皮帶秤可以最大限度的減小皮帶測速誤差和信號處理誤差 , 進而也減小了其他因素對皮帶秤計量精度的影響。

3 高精度測速技術研究

3.1 嵌入式微控制器

系統(tǒng)核心控制器選型是整個系統(tǒng)設計的重點 , 也是測速精度改進的關鍵。皮帶秤控制器需要實現(xiàn)復雜的功能 , 其外圍設備比較多 , 內部需要執(zhí)行大量的數(shù)據(jù)處理、 控制和通訊等 , 而且計算精度要求高、 計算量大 , 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用、 可靠、 性價比高等優(yōu)點?？紤]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 為內核 ,2 個 32 位定 時 器 、 2 個 UART 、 1 個 10 位 8 路 的 ADC 、 10位 DAC 、 IIC 、PWM 通道、 47 個 GPIO 以及多達 9 個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使其非常適合本系統(tǒng)的開發(fā) ; 內置了寬范圍的串行通信接口和 16kB 的片內 SRAM, 提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理功能 , 非常適合于通信 ; 內部嵌入 64k 的高速 Flash 存儲器 ,128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使 32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行 ; 內部 PLL 時鐘調整 , 可以達到最高 60MHz 的工作頻率 ; 支持實時仿真和嵌入式跟蹤 , 使系統(tǒng)開發(fā)更加有效 ; 較小的封裝 , 功耗很低。

3.2 速度脈沖采集精度改進

皮帶秤控制系統(tǒng)中 , 速度是一個及其重要的參數(shù) , 速度的采集精度要依靠穩(wěn)定且準確的傳感器獲得。 所以 , 測速傳感器的性能直接影響到整個系統(tǒng)的響應速度、 精確度和穩(wěn)定性等等。因此 , 測速傳感器的選用極為重要。

采用脈沖測速傳感器 , 脈沖測速傳感器輸出方波信號 , 其輸出脈沖個數(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指標均達到要求 , 此種傳感器可用。脈沖傳感器測速時 , 齒輪每轉動一周 , 脈沖個數(shù)與齒輪齒數(shù)相同。齒輪個數(shù)為M, 齒輪轉速為 N(r/min), 則每秒鐘產生脈沖個數(shù)為 MN/60, 標定每個脈沖皮帶走過的距離是 s (mm), 則皮帶速度為 MNs/60 (mm/s) 。

當皮帶秤轉速很高時 , 采用上面的測速方法還是能夠得到一個較理想的皮帶速度值 ; 但是 , 當皮帶秤轉速很慢時 , 甚至每秒鐘轉動不超過一個齒時 , 顯然上面的方法是不可行的。 速度脈沖的采集需要進一步地改進 , 需要更多的標定量。

利用 LPC2132 的定時器功能可以得到更加精確的速度脈沖采集值。設置 LPC2132 定時器 1 相關寄存器 , 使能下降沿中斷 捕 獲 功 能 。 將 高 精 度 脈沖 測 速 傳 感 器 信 號 輸 出 引 腳 與LPC2132 的捕獲管腳相連 , 當有速度脈沖信號輸入時 , 信號由高電平翻轉為低電平時 LPC2132 將產生定時器捕獲中斷, 進入中斷后可以記錄捕獲到的速度脈沖個數(shù) , 更重要的是還可以同時讀取由定時器計數(shù)寄存器中保存的每個用于速度計算的脈沖占用的 LPC2132 處理器周期數(shù)。至此 , 得到了兩個以上速度脈沖采集的標定量 , 速度脈沖采集得到改進。

3.3 速度脈沖計算精度改進

設置 LPC2132 定時器 0 相關寄存器 , 使能 1 秒定時中斷 , 且優(yōu)先級最高 ; 設置定時器 1 相關寄存器 , 使能下降沿中斷捕獲功能。每次進入捕獲中斷 , 保存所需各標定量的值 ; 每 1 秒到進入中斷 , 讀取各標定量的值 , 計算瞬時速度。假定 1 秒定時到 , 實際捕獲的速度脈沖波形如圖 2 所示

可以很直觀的看出 , 在 1 秒定時開始和結束的時候 , 捕獲到不完整的脈沖信號。 t ₁ 為 1 秒定時開始捕獲到的脈沖信號的時間 ,t ₂ 為 1 秒定時結束得到的脈沖信號的時間 ,T_add 為 1 秒定時開始到最后一次捕獲到下降沿的累計時間 , T_sec 為 1 秒時間恒定值。t ₁ 在捕獲中斷時 , 讀取定時器計數(shù)寄存器值獲得, T_add在每次進入捕獲中斷時 , 計數(shù)寄存器的值累加得到 , t ₂ 等于T_sec 與T_add 的差值。要得到速度的計算值 , 還需要引入兩個量 T_f 和 T _l , 分別為前后兩個不完整脈沖信號的完整周期時間值。電機運行過程中 , 速度不可能突變 , 所以 T _f 與 T _l 取值其前一個脈沖的周期時間。因此 , 我們得到瞬時速度 v :

其中 C 為 1 秒內捕獲到的下降沿個數(shù) , 所有的時間量以LPC2132 處理器周期個數(shù)為單位。

1 秒時間內 , 捕獲到一個或多個下降沿 , 公式 (1) 總是成立的 ,但是 1 秒時間內沒有捕獲到下降沿 , 公式 (1) 就不能成立。此時 ,瞬時速度 v 采用公式(2):

即使電機運行速度非常緩慢 , 公式 (2) 也能得到當前的瞬時速度 v₀但是 , 電機突然停止 , 公式 (2) 就不再適用了。因此 , 根據(jù)電機速度不可能突變 , 程序里需要判斷臨近兩個脈沖周期差值也不會突變來斷定電機是否停止 , 電機停止則 v 置零。

皮帶秤運行時 , 電機可能在某一時刻處于加速或減速狀態(tài) ,此時公式 (1) 中的 t 1 / T _f 與 t ₂ / T _l 項的值可能出現(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 ₁ / T _f 與 t ₂ /T _l 近似等于 0.99 。另外 , 實際運行中會出現(xiàn)抖動干擾 , 使定時捕獲產生誤差 , 根據(jù)電機速度不可能突變, 程序里需要判斷臨近兩次完整脈沖周期差值也不會突變來消除抖動干擾。電機運行速度非常緩慢時 , 定時器計數(shù)寄存器可能產生溢出 , 應及時讀取和清空。

4 結論

系統(tǒng)結構上保留原有的皮帶秤裝置 , 采用了新型的 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)采集準確 , 處理速度快 , 運行穩(wěn)定。 軟件開發(fā)獲得較以往更加準確的速度測定值 , 皮帶秤測速精度得到改進。 因此 , 皮帶秤配料系統(tǒng)控制性能得到進一步的改善 , 而且響應快 , 誤差小 ; 同時采用 32 位 ARM7 數(shù)字控制器和分布式控制系統(tǒng) , 功能強大。系統(tǒng)集控制、 測試、 管理于一體 , 便于二次開發(fā)、 系統(tǒng)升級和技術移植 , 性價比高。

本文作者創(chuàng)新點 : 原有的皮帶秤控制器 , 采用脈沖計數(shù)方法測速 , 精度不高 , 從而影響了整個皮帶秤的計量精度。在原有的皮帶秤裝置基礎上 , 采用新型的 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定值 , 改善了皮帶秤的計量精度。

項目經濟效益 : 本課題是水泥廠配料系統(tǒng)項目的一部分 , 是解決皮帶秤配料系統(tǒng)計量精度的關鍵技術。該項目投入 15 萬資金 , 其中控制器及其軟件開發(fā)部分占資金的 50%, 也是設計的重難點之一 , 占整個設計工作量的一半。

 

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