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。