開發(fā)了基于ARM的多功能新型智能稱重儀系統(tǒng)，提出了一種改善系統(tǒng)性能、提高測(cè)量精度的補(bǔ)償方法。稱重 儀以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心，利用FPGA強(qiáng)大的邏輯處理，USB接口數(shù)據(jù)通信功能與PC機(jī)相連，構(gòu)成了主機(jī)/從機(jī)系統(tǒng)，通 過(guò)在串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)對(duì)傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，解決系統(tǒng)時(shí)變非線性強(qiáng)、傳感器動(dòng)態(tài)品質(zhì)差，縮短整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí) 間。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)適合快速測(cè)量的要求，有效地提高了精度和可靠性。

0.引言

智能稱重系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)上 的這些臺(tái)稱與平臺(tái)稱等小型稱重計(jì)量?jī)x表，主要是對(duì)靜止的東 西（如貨物）稱重，而對(duì)動(dòng)態(tài)稱重（如動(dòng)物，家禽）存在功能單一 或者沒(méi)有相應(yīng)的功能的問(wèn)題。在稱重技術(shù)中，應(yīng)用最普遍的 是由應(yīng)變片和彈性體組成的測(cè)力傳感器。將重物放于稱重系 統(tǒng)的托架上，待穩(wěn)定后，就可以準(zhǔn)確地讀出重量值，但當(dāng)需要進(jìn) 行快速稱重時(shí)，這種傳感器就暴露出缺陷。由于其彈性體的阻 尼比過(guò)小，傳感器到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足快速測(cè)量的 要求。稱重信號(hào)中包含低頻隨機(jī)干擾，且采樣得到的信號(hào)太 短，對(duì)動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)作簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波，系統(tǒng)的精度難以得到 很大的提高。依據(jù)衡器國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于嵌入式計(jì)算機(jī)研制 了新型的多功能智能稱重儀，稱重儀既具有基本稱重功能包括 按鍵皮重功能、皮重內(nèi)鎖功能、自動(dòng)去皮功能、自動(dòng)零跟蹤功 能、動(dòng)態(tài)檢測(cè)功能、手動(dòng)和自動(dòng)累計(jì)功能，又有動(dòng)物稱重、計(jì)數(shù)、 峰值保持和累加等特殊稱重功能。

1.嵌入式稱重儀硬件構(gòu)成

系統(tǒng)由嵌入式計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、信號(hào)處理、PWM 脈寬調(diào)制、人機(jī)接口和USB接口通信等電路部分組成，如圖1 所示。硬件電路由ARM作為系統(tǒng)的控制中心，完成多路信息 的實(shí)時(shí)采集，對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波校正、分時(shí)存儲(chǔ)，完成對(duì)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算、顯示、傳輸?shù)裙δ埽梢酝ㄟ^(guò)對(duì)擴(kuò)展電路 的控制，對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，而后通過(guò)鍵盤散轉(zhuǎn)程序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng) 進(jìn)行控制。信號(hào)采集部分利用稱重傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，得到 微弱的電壓信號(hào)，而后經(jīng)處理電路（濾波、差動(dòng)放大）以及PWM 脈寬調(diào)制處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。通過(guò)USB 接口與上位機(jī)通訊，可根據(jù)主機(jī)PC發(fā)送的控制參數(shù)，對(duì)被測(cè)對(duì) 象的壓力參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，進(jìn)一步完成人機(jī)交互界面的管 理、圖形功能、參數(shù)設(shè)定及自診斷。

嵌入式硬件是嵌入式32位處理器StrongARM * SA - 1110，軟件平臺(tái)采用Windows CE。Platform Builder是為嵌入系 統(tǒng)設(shè)備開發(fā)和定制基于Windows CE的操作系統(tǒng)的工具。在創(chuàng) 建基本平臺(tái)的過(guò)程中主要包括配置平臺(tái)、創(chuàng)建操作系統(tǒng)映像、 傳輸映像到目標(biāo)設(shè)備和調(diào)試系統(tǒng)，而在定制平臺(tái)的過(guò)程中主要 有開發(fā)用戶自己的OAL (OEM Adoption Layer)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、 引導(dǎo)裝載程序、組件、本地化等。

2.主要電路設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)采集電路

采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器PWC318N，用模擬開關(guān)、積分器、 比較器等構(gòu)成S - A型調(diào)制器，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200次/s，與控制 器結(jié)合PWC318實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制器脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)字抽取濾波，非 常適用于高精度電子天平和電子秤等場(chǎng)合。通過(guò)連接外部晶 體振蕩器，PWC318的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)鐘頻率信號(hào) TCLK，脈寬控制器接受比較器的輸出X - A碼，同步到PWC318 的內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生脈寬輸出信號(hào)。脈寬輸出信號(hào)控制模擬 開關(guān)，當(dāng)為“0 ”時(shí)，接通-VREF，當(dāng)為“1 ”時(shí)，接通+ VREF。 PWC318通過(guò)內(nèi)部16位計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)脈寬輸出信號(hào)為高電平 時(shí)的脈沖數(shù)，將結(jié)果進(jìn)行迭加后，通過(guò)向控制器發(fā)中斷請(qǐng)求，控 制器讀計(jì)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)2N個(gè)采樣值迭加后取平均值的數(shù)字濾 波，數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。

2.2人機(jī)接口電路

稱重儀需要實(shí)現(xiàn)輸出各種結(jié)果顯示，采用AG320240大屏 點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。控制器中使用了 512 K字節(jié)的存儲(chǔ) 器，存儲(chǔ)了系統(tǒng)需要的16x16點(diǎn)陣漢字字庫(kù)、界面顯示背景圖 等。由于液晶顯示器內(nèi)置了 SED1335控制器，對(duì)液晶顯示器的的控制。稱重系統(tǒng)中設(shè)有多個(gè)功能鍵，鍵盤采用矩陣形式排列，按鍵設(shè)置在行列式交點(diǎn)上，通過(guò)鍵盤向裝置系統(tǒng)輸入相關(guān)參數(shù)和控制命令。

2.3信號(hào)處理與PWM電路

傳感器是稱重系統(tǒng)中實(shí)際承壓值測(cè)量的關(guān)鍵元件，稱重傳感器采用了應(yīng)變片壓力傳感器，輸出的信號(hào)通過(guò)濾波電路后送給差動(dòng)放大器。采用PWM脈寬調(diào)制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的自動(dòng)控制補(bǔ)償，提高了電路的線性和穩(wěn)定性。信號(hào)處理與PWM電路如圖3所示。

3.稱重儀的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

荷重系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可以看成單自由度二階系統(tǒng)，測(cè)重環(huán)節(jié) 中的應(yīng)變式測(cè)重傳感器加秤體構(gòu)成測(cè)重部分，可以等效為由彈 簧、阻尼器組成M，系統(tǒng)等效模型如圖4所示。

式中：m為秤體質(zhì)量，由傳感器本身的等效質(zhì)量和托盤質(zhì)量組 成;M(t)為被測(cè)質(zhì)量;C為阻尼比例系數(shù);K為剛度系數(shù);x為在 垂直方向偏離平衡點(diǎn)的位移;F( t)為垂直方向作用力。

采用分段線性化法將模型近似為線性時(shí)不變系統(tǒng)，建立系 統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。因?yàn)閼?yīng)變與應(yīng)力呈正比，而電橋輸出電壓U與 應(yīng)變呈正比關(guān)系。設(shè)在一個(gè)時(shí)間段[t。to +Δt]內(nèi)，式（1)可以 簡(jiǎn)化為一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)，把F看作是Mg的一部分，即G = Mg + F。設(shè)各種初始條件為零，K。為靈敏系數(shù)，對(duì)式（1)做拉普 拉斯變換得：

當(dāng)秤體空載時(shí)，敲擊秤臺(tái)產(chǎn)生沖擊激勵(lì)信號(hào)，獲得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，從而得到系統(tǒng)模型，其階躍響應(yīng)如文獻(xiàn)。荷重系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)較差，由于阻尼非常小，振蕩嚴(yán)重，采集的信號(hào)不能反映真實(shí)的測(cè)量值，同時(shí)阻尼過(guò)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程到達(dá)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)重系統(tǒng)的快速性得不到保證。采用動(dòng)態(tài)數(shù)字補(bǔ)償處理改變系統(tǒng)阻尼系數(shù)，在系統(tǒng)中增加串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)必須盡可能提高系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)品質(zhì)，即盡可能增加％，達(dá)到最佳值0.707左右。系統(tǒng)輸出由尤(s)轉(zhuǎn)化為y (s)，即Y(s) = X(s) H(s)，且使Y(s)的會(huì)達(dá)到0.707，不變。設(shè)數(shù)字

補(bǔ)償環(huán)節(jié)H (s)的零點(diǎn)為X(s)的極點(diǎn)，數(shù)字補(bǔ)償環(huán)節(jié)H(s)的

極點(diǎn)為打s)的極點(diǎn)，并將s域變換到z域，作雙線性變換有[]:

 敲擊實(shí)驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)過(guò)渡過(guò)程曲線，由文獻(xiàn)[2]中的公式計(jì) 算值，其階躍響應(yīng)如圖6(a)所示，傳感器在最終輸出穩(wěn)定 值之前，穩(wěn)定輸出需要0.55 s.

對(duì)自適應(yīng)補(bǔ)償進(jìn)行仿真驗(yàn)證，考慮模型存在誤差情況下的 自適應(yīng)補(bǔ)償效果。因此，將系統(tǒng)的固有頻率％減小，此時(shí)，自 適應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的零點(diǎn)與模型極點(diǎn)不能完全抵消。得到自適應(yīng) 補(bǔ)償前后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性，如圖6 (b)所示。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 響應(yīng)特性得到顯著改善，系統(tǒng)階躍響應(yīng)達(dá)到97%穩(wěn)態(tài)輸出的穩(wěn) 定時(shí)間為0.6 s，小于沒(méi)有補(bǔ)償0.55 s，在存在系統(tǒng)誤差的情況 下，能很好地提高動(dòng)態(tài)測(cè)重的速度。

4.試驗(yàn)與分析

針對(duì)稱重儀進(jìn)行了普通稱重方式、計(jì)數(shù)稱重方式、峰值稱 重方式和動(dòng)物稱重方式的試驗(yàn)。普通稱重方式、計(jì)數(shù)稱重方 式、峰值稱重方式用砝碼作為稱重對(duì)象，每種方式下測(cè)試10 次，經(jīng)傳感器校準(zhǔn)，數(shù)字濾波和非線性補(bǔ)償后，每隔10 mm讀 次稱重顯示，普通稱重測(cè)量誤差小于0. 25%，峰值稱重和計(jì)數(shù) 稱重測(cè)量誤差都小于0.4%，動(dòng)物稱重誤差小于0. 84%，稱重精 度達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，穩(wěn)定可靠，測(cè)試結(jié)果如表1、表2、表3和表 4所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

基于嵌入式計(jì)算機(jī)，并用USB接口，根據(jù)需求搭建了硬件 平臺(tái)，對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，使得傳感器的振蕩得以有效抑制，提 高了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波等軟件處理，實(shí)現(xiàn)普通 稱重方式和特殊稱重方式。多功能便攜式智能稱重系統(tǒng)具有 良好的可靠性、準(zhǔn)確性和抗干擾能力，處理速度和測(cè)量精度提 高，滿足了稱重的實(shí)時(shí)性要求，取得了良好的效果。