開發了基于ARM的多功能新型智能稱重儀系統,提出了一種改善系統性能、提高測量精度的補償方法。稱重 儀以嵌入式計算機為核心,利用FPGA強大的邏輯處理,USB接口數據通信功能與PC機相連,構成了主機/從機系統,通 過在串聯補償環節對傳感器進行動態補償,解決系統時變非線性強、傳感器動態品質差,縮短整個測量系統到達穩態的時 間。試驗結果表明:該系統適合快速測量的要求,有效地提高了精度和可靠性。
0.引言
智能稱重系統在工業生產和日常生活中應用廣泛,市場上 的這些臺稱與平臺稱等小型稱重計量儀表,主要是對靜止的東 西(如貨物)稱重,而對動態稱重(如動物,家禽)存在功能單一 或者沒有相應的功能的問題。在稱重技術中,應用最普遍的 是由應變片和彈性體組成的測力傳感器。將重物放于稱重系 統的托架上,待穩定后,就可以準確地讀出重量值,但當需要進 行快速稱重時,這種傳感器就暴露出缺陷。由于其彈性體的阻 尼比過小,傳感器到達穩態的時間較長,不能滿足快速測量的 要求。稱重信號中包含低頻隨機干擾,且采樣得到的信號太 短,對動態稱重信號作簡單的數字濾波,系統的精度難以得到 很大的提高。依據衡器國家行業標準,基于嵌入式計算機研制 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、皮重內鎖功能、自動去皮功能、自動零跟蹤功 能、動態檢測功能、手動和自動累計功能,又有動物稱重、計數、 峰值保持和累加等特殊稱重功能。
1.嵌入式稱重儀硬件構成
系統由嵌入式計算機、數據采集與存儲、信號處理、PWM 脈寬調制、人機接口和USB接口通信等電路部分組成,如圖1 所示。硬件電路由ARM作為系統的控制中心,完成多路信息 的實時采集,對實時采集的數據進行數字濾波校正、分時存儲,完成對數字信號運算、顯示、傳輸等功能,可以通過對擴展電路 的控制,對鍵盤進行掃描,而后通過鍵盤散轉程序,對整個系統 進行控制。信號采集部分利用稱重傳感器檢測壓力信號,得到 微弱的電壓信號,而后經處理電路(濾波、差動放大)以及PWM 脈寬調制處理后,送A/D轉換器轉化為數字量輸出。通過USB 接口與上位機通訊,可根據主機PC發送的控制參數,對被測對 象的壓力參數進行控制調節,進一步完成人機交互界面的管 理、圖形功能、參數設定及自診斷。
嵌入式硬件是嵌入式32位處理器StrongARM * SA - 1110,軟件平臺采用Windows CE。Platform Builder是為嵌入系 統設備開發和定制基于Windows CE的操作系統的工具。在創 建基本平臺的過程中主要包括配置平臺、創建操作系統映像、 傳輸映像到目標設備和調試系統,而在定制平臺的過程中主要 有開發用戶自己的OAL (OEM Adoption Layer)、設備驅動程序、 引導裝載程序、組件、本地化等。
2.主要電路設計
2.1數據采集電路
采用高精度A/D轉換器PWC318N,用模擬開關、積分器、 比較器等構成S - A型調制器,轉換速率可達200次/s,與控制 器結合PWC318實現對調制器脈沖信號進行數字抽取濾波,非 常適用于高精度電子天平和電子秤等場合。通過連接外部晶 體振蕩器,PWC318的內部時鐘發生器產生時鐘頻率信號 TCLK,脈寬控制器接受比較器的輸出X - A碼,同步到PWC318 的內部時鐘信號,產生脈寬輸出信號。脈寬輸出信號控制模擬 開關,當為“0 ”時,接通-VREF,當為“1 ”時,接通+ VREF。 PWC318通過內部16位計數器來計數脈寬輸出信號為高電平 時的脈沖數,將結果進行迭加后,通過向控制器發中斷請求,控 制器讀計數值,實現對2N個采樣值迭加后取平均值的數字濾 波,數據采集電路如圖2所示。
2.2人機接口電路
稱重儀需要實現輸出各種結果顯示,采用AG320240大屏 點陣圖形液晶顯示模塊??刂破髦惺褂昧?/span> 512 K字節的存儲 器,存儲了系統需要的16x16點陣漢字字庫、界面顯示背景圖 等。由于液晶顯示器內置了 SED1335控制器,對液晶顯示器的的控制。稱重系統中設有多個功能鍵,鍵盤采用矩陣形式排列,按鍵設置在行列式交點上,通過鍵盤向裝置系統輸入相關參數和控制命令。
2.3信號處理與PWM電路
傳感器是稱重系統中實際承壓值測量的關鍵元件,稱重傳感器采用了應變片壓力傳感器,輸出的信號通過濾波電路后送給差動放大器。采用PWM脈寬調制電路,實現對小信號的自動控制補償,提高了電路的線性和穩定性。信號處理與PWM電路如圖3所示。
3.稱重儀的動態補償
荷重系統經過簡化可以看成單自由度二階系統,測重環節 中的應變式測重傳感器加秤體構成測重部分,可以等效為由彈 簧、阻尼器組成M,系統等效模型如圖4所示。
式中:m為秤體質量,由傳感器本身的等效質量和托盤質量組 成;M(t)為被測質量;C為阻尼比例系數;K為剛度系數;x為在 垂直方向偏離平衡點的位移;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不變系統,建立系 統的數學模型。因為應變與應力呈正比,而電橋輸出電壓U與 應變呈正比關系。設在一個時間段[t。to +Δt]內,式(1)可以 簡化為一個線性時不變系統,把F看作是Mg的一部分,即G = Mg + F。設各種初始條件為零,K。為靈敏系數,對式(1)做拉普 拉斯變換得:
當秤體空載時,敲擊秤臺產生沖擊激勵信號,獲得系統的沖擊響應,從而得到系統模型,其階躍響應如文獻。荷重系統的動態響應品質較差,由于阻尼非常小,振蕩嚴重,采集的信號不能反映真實的測量值,同時阻尼過小,動態響應過程到達穩態的調節時間長,測重系統的快速性得不到保證。采用動態數字補償處理改變系統阻尼系數,在系統中增加串聯補償環節必須盡可能提高系統輸出動態品質,即盡可能增加%,達到最佳值0.707左右。系統輸出由尤(s)轉化為y (s),即Y(s) = X(s) H(s),且使Y(s)的會達到0.707,不變。設數字
補償環節H (s)的零點為X(s)的極點,數字補償環節H(s)的
極點為打s)的極點,并將s域變換到z域,作雙線性變換有[]:
敲擊實驗獲得實驗過渡過程曲線,由文獻[2]中的公式計 算值,其階躍響應如圖6(a)所示,傳感器在最終輸出穩定 值之前,穩定輸出需要0.55 s.
對自適應補償進行仿真驗證,考慮模型存在誤差情況下的 自適應補償效果。因此,將系統的固有頻率%減小,此時,自 適應補償環節的零點與模型極點不能完全抵消。得到自適應 補償前后的系統階躍響應特性,如圖6 (b)所示。系統的動態 響應特性得到顯著改善,系統階躍響應達到97%穩態輸出的穩 定時間為0.6 s,小于沒有補償0.55 s,在存在系統誤差的情況 下,能很好地提高動態測重的速度。
4.試驗與分析
針對稱重儀進行了普通稱重方式、計數稱重方式、峰值稱 重方式和動物稱重方式的試驗。普通稱重方式、計數稱重方 式、峰值稱重方式用砝碼作為稱重對象,每種方式下測試10 次,經傳感器校準,數字濾波和非線性補償后,每隔10 mm讀 次稱重顯示,普通稱重測量誤差小于0. 25%,峰值稱重和計數 稱重測量誤差都小于0.4%,動物稱重誤差小于0. 84%,稱重精 度達到設計的要求,穩定可靠,測試結果如表1、表2、表3和表 4所示。
5.結束語
基于嵌入式計算機,并用USB接口,根據需求搭建了硬件 平臺,對傳感器進行補償,使得傳感器的振蕩得以有效抑制,提 高了系統響應的快速性,經過數字濾波等軟件處理,實現普通 稱重方式和特殊稱重方式。多功能便攜式智能稱重系統具有 良好的可靠性、準確性和抗干擾能力,處理速度和測量精度提 高,滿足了稱重的實時性要求,取得了良好的效果。