電子皮帶秤控制儀表的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、電子皮帶秤控制儀表的優(yōu)化設(shè)計(jì)電子皮帶秤是安裝在皮帶輸送機(jī)的適當(dāng)位置上，對(duì)散裝物料自動(dòng)地進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)、累計(jì)稱量的計(jì)量器具。它廣泛用于散料貿(mào)易結(jié)算、生產(chǎn)工藝流程中的配料計(jì)量及檢測(cè)控制。皮帶秤控制儀表的性能直接影響到皮帶秤的計(jì)量精度，原因是數(shù)據(jù)處理部分在其中進(jìn)行，包括信號(hào)的采樣、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換，瞬時(shí)流量計(jì)算、流量累計(jì)及顯示、參數(shù)設(shè)定和校秤程序。對(duì)于配料秤還包括PID動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)部分和變頻器控制接口。因此，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的?？刂苾x表是由單片機(jī)組成的嵌入式系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和新型電子器件的出現(xiàn)，運(yùn)用EDA技術(shù)，對(duì)老產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代、提高性能和降低成本，是擺在設(shè)計(jì)者面前的主要課題

2、。2 速度測(cè)量在電子皮帶秤的測(cè)量?jī)x表中，轉(zhuǎn)速的檢測(cè)與控制一般占有很大的比重，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能都有著至關(guān)重要的影響。特別是對(duì)于配料皮帶秤來(lái)講，一個(gè)在較大調(diào)速范圍內(nèi)具有高分辨率的快捷而準(zhǔn)確的測(cè)速系統(tǒng)是必不可少的。目前在以光電編碼器構(gòu)成的測(cè)速系統(tǒng)中，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）和M/T法（頻率/周期法）。M法是通過(guò)在既定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速；T法是通過(guò)測(cè)量相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來(lái)確定轉(zhuǎn)速；M/T法是通過(guò)同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速，能夠?qū)崿F(xiàn)在很寬的速度范圍內(nèi)進(jìn)行等精度的速度測(cè)

3、量。專門(mén)介紹和分析M/T法原理的文章很多，這里只作簡(jiǎn)單介紹。下面著重介紹具體電路的實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)速測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)，可以采用單片機(jī)，但是實(shí)現(xiàn)M/T法測(cè)速，要占用3路計(jì)數(shù)器，而單片機(jī)片內(nèi)資源有限；再者為了減少測(cè)速時(shí)間，應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率，這又受到了單片機(jī)最高計(jì)數(shù)頻率的限制。所以采用CPLD器件和單片機(jī)共同組成測(cè)速模塊。測(cè)速模塊主要由以下三部分組成，即 信號(hào)整形電路：用于對(duì)待測(cè)速度信號(hào)進(jìn)行放大和整形，以便作為CPLD器件的輸入信號(hào)。 測(cè)頻電路：是測(cè)速的核心電路模塊，由CPLD器件擔(dān)任。 單片機(jī)電路：用于控制CPLD的測(cè)頻操作和速度的計(jì)算。單片機(jī)的P0口直接讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，P2口向CPLD發(fā)控制命令。等精

4、度測(cè)速的實(shí)現(xiàn)方法可以簡(jiǎn)單地用圖1和仿真波形圖2來(lái)說(shuō)明。圖1中預(yù)置門(mén)控信號(hào)TSET由單片機(jī)發(fā)出，TSET的時(shí)間寬度對(duì)測(cè)量精度的影響較小，這里設(shè)其寬度為T(mén)pr。FS是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)輸入端，F(xiàn)X是測(cè)速碼盤(pán)脈沖信號(hào)的輸入端。這2路信號(hào)分別輸入到2個(gè)可控的16位高速計(jì)數(shù)器中。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)允許端ENA高電平有效，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率為fs，測(cè)速信號(hào)的頻率為fx。測(cè)速開(kāi)始前，先發(fā)出一個(gè)清零信號(hào)CLR，將2個(gè)計(jì)數(shù)器和D觸發(fā)器置0，然后由單片機(jī)發(fā)出允許測(cè)頻的命令，即令預(yù)置門(mén)信號(hào)TSET為高電平。（將圖1和圖2聯(lián)系起來(lái)看）這時(shí)D觸發(fā)器要一直等到被測(cè)速度信號(hào)的上升沿通過(guò)時(shí)，Q端才被置1（即START端變?yōu)楦唠娖剑?。與此同時(shí)

5、，將啟動(dòng)2個(gè)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。在此期間，2個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)被測(cè)速度信號(hào)（頻率為fs）和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)（頻率為fx）同時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)間到Tpr后，預(yù)置門(mén)信號(hào)TSET被單片機(jī)置為低電平，但此時(shí)2個(gè)計(jì)數(shù)器仍沒(méi)有停止計(jì)數(shù)，一直等到隨后而至的被測(cè)速度信號(hào)的脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，才通過(guò)D觸發(fā)器將這2個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉。由圖2可見(jiàn)，TSET信號(hào)的寬度和發(fā)生的時(shí)間都不會(huì)影響計(jì)數(shù)使能信號(hào)START，允許計(jì)數(shù)的周期總是恰好等于被測(cè)速度信號(hào)fx的完整周期數(shù)。這是確保fx在任何頻率條件下都能保持恒定精度的關(guān)鍵。而且，TSET寬度的改變以及隨機(jī)的出現(xiàn)時(shí)間造成的誤差最多只有fs信號(hào)的一個(gè)周期，如果fs由精確穩(wěn)定的晶體振蕩器（10MHz

6、）發(fā)出，則任何時(shí)刻的絕對(duì)測(cè)量誤差只有1/107s。設(shè)在一次預(yù)置門(mén)時(shí)間Tpr中，對(duì)被測(cè)速度信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Ns，則下式成立，即fx/Nx =fs/Ns （1）不難得到測(cè)得的轉(zhuǎn)速頻率為fx =（fs/Ns）Nx （2）測(cè)速輪轉(zhuǎn)速（單位：r/s）為n=fx/P （3）式中 P測(cè)速光電編碼器一周的脈沖數(shù)。再將轉(zhuǎn)速n折算成膠帶的線速度為v=2rn=2rfsNxNsP（4）式中 r測(cè)速輪半徑（單位：m）。最后通過(guò)控制SEL選擇信號(hào)和328位的多路轉(zhuǎn)換器MUX32_8（見(jiàn)圖1），將兩個(gè)計(jì)數(shù)器中的兩個(gè)16位的計(jì)數(shù)值分4次讀入單片機(jī)，再按式（4）計(jì)算出帶速。用1片ALTRA的CPLD電路E

7、PS7064，在片內(nèi)設(shè)置兩個(gè)相同的獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器（COUNTO、COUNT1）。每個(gè)計(jì)數(shù)器都有自己的時(shí)鐘輸入CLK、計(jì)數(shù)器輸出OUT和門(mén)控信號(hào)GATE，通過(guò)編程設(shè)置工作方式。當(dāng)GATE端為高電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)；當(dāng)GATE端為低電平時(shí)，禁止計(jì)數(shù)。采用MAXPLUSIEDA開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可直接利用其功能元件庫(kù)中的計(jì)數(shù)器IP模塊，編程非常方便。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以減輕CPU的負(fù)擔(dān)，減少對(duì)CPU內(nèi)部資源的占用。3 荷重檢測(cè)影響皮帶秤計(jì)量精度的另一個(gè)主要因素是荷重的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。由于皮帶秤一般處于長(zhǎng)期連續(xù)工作狀態(tài)，所以在信號(hào)的放大、A/D轉(zhuǎn)換通道的設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定性和抗干擾性是首先要考慮的問(wèn)題。放大電路應(yīng)該由高精

8、度、低漂移的運(yùn)算放大器組成，在此選用了自穩(wěn)零的斬波放大器ICL7650。這里著重討論皮帶秤儀表中的A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)，基于穩(wěn)定性的考慮，選用V/F（電壓/頻率）轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，并對(duì)其常規(guī)用法作了改進(jìn)。V/F轉(zhuǎn)換是指把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號(hào)。V/F轉(zhuǎn)換器具有良好的精度、線性和積分輸入特性。采用V/F轉(zhuǎn)換器來(lái)完成A/D轉(zhuǎn)換，能提供其他類型A/D轉(zhuǎn)換器無(wú)法達(dá)到的性能。首先是抗干擾能力強(qiáng)，V/F轉(zhuǎn)換過(guò)程是對(duì)輸入信號(hào)的不斷積分，因而有較強(qiáng)的抗干擾能力，能對(duì)噪聲或變化的輸入信號(hào)進(jìn)行平滑；再有是和單片機(jī)接口單，頻率信號(hào)輸入靈活，只占用單片機(jī)1根口線，便于與單片機(jī)接口采用光電隔離，進(jìn)一步提高

9、了抗干擾能力。由于這些優(yōu)點(diǎn)，一些進(jìn)口品牌的電子皮帶秤儀表廣泛采用 V/F變換方式的 A/D轉(zhuǎn)換器。筆者選用了V/F轉(zhuǎn)換器中高性能指標(biāo)的一種型號(hào)AD652。該芯片的特點(diǎn)是采用外部時(shí)鐘控制，從而消除了內(nèi)部時(shí)鐘方式中阻容器件的穩(wěn)定性對(duì)精度的影響。該芯片的最高輸出頻率可達(dá)2MHz，非線性誤差僅為0.002%。 由上述可知，用V/F轉(zhuǎn)換器件組成A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)于皮帶秤控制儀表是非常適合的。皮帶秤的規(guī)格是根據(jù)皮帶輸送機(jī)的運(yùn)量來(lái)定的，目前國(guó)內(nèi)運(yùn)量最大的皮帶輸送機(jī)帶寬為2.5m，帶速接近5m/s。作為皮帶秤儀表的設(shè)計(jì)者，應(yīng)考慮儀表要有很寬的適應(yīng)性，盡量提高由V/F器件組成的A/D轉(zhuǎn)換器的速度是非常有意義的。上

10、面分析了提高A/D轉(zhuǎn)換速度從硬件上的考慮，除此之外還有別的辦法嗎？筆者從上述M/T法測(cè)速中得到啟發(fā)，直接采用與測(cè)速環(huán)節(jié)相同的硬件邏輯，只是將測(cè)速信號(hào)換成V/F轉(zhuǎn)換器AD652的輸出脈沖信號(hào)，在數(shù)據(jù)處理上也是和測(cè)速中的頻率測(cè)量方法相同，按式（2）計(jì)算出被測(cè)頻率。這樣在保證轉(zhuǎn)換精度的前提下，使由V/F變換器組成的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度得以提高。如采用10MHz的高精度晶振作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源，測(cè)量周期Tpr設(shè)定為10ms，也就是A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間，則完成16位的A/D轉(zhuǎn)換，絕對(duì)測(cè)量頻率誤差只有1/107s，而轉(zhuǎn)換速度比傳統(tǒng)的算法提高了5倍。4 輸出通道設(shè)計(jì)電子皮帶秤在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，往往作為測(cè)控系統(tǒng)或配料

11、系統(tǒng)的一部分。這就要求控制儀表不但要有顯示輸出，還要有與其他系統(tǒng)相連接的數(shù)字量和模擬量的輸出接口。電子皮帶秤控制儀表的模擬量輸出通道，通常為010mA或420mA的電流輸出形式。對(duì)于配料秤，要輸出PID調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)，并將其送到膠帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器，以控制膠帶的瞬時(shí)流量跟隨設(shè)定值；對(duì)于計(jì)量秤，要輸出和流量成線性關(guān)系的電流模擬信號(hào)，作為其他控制設(shè)備的輸入控制信號(hào)。對(duì)模擬量輸出接口的要求，一個(gè)是精度的要求，另一個(gè)是可靠性的要求。在智能化儀表中，由于采用了以CPU為核心的數(shù)字化處理技術(shù)，儀表的輸出通道要完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。為了滿足可靠性的要求，輸出通道要采用隔離技術(shù)，以防止現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)

12、污染到儀表。盡管DAC和電壓、電流變送技術(shù)早已廣泛地應(yīng)用在儀表中，但隨著IC技術(shù)的發(fā)展，各種新的、更有特色的專用IC芯片的出現(xiàn)，使輸出通道的性能得到了進(jìn)一步的提高，而成本得到了降低，同時(shí)給設(shè)計(jì)提供了更多的方便性和靈活性。如近年來(lái)串行ADC和DAC越來(lái)越多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集中，這種芯片將傳統(tǒng)的CPU數(shù)據(jù)總線連接減少到23根CPU口線。這就大大降低了信號(hào)隔離的成本，可以淘汰昂貴的模擬信號(hào)隔離放大器或線性光隔，代之以便宜的數(shù)字光隔。用SPI接口的DAC芯片MAX538和V/I變送芯片AD694組成的模擬輸出通道如圖3所示。和CPU的連接只需3根口線，其中的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線還可和其他

13、同類型接口芯片共用，只用3個(gè)數(shù)字光隔即可完成隔離，成本很低。MAX538是單電源、低功耗、電壓輸出的12位串行DAC。它具有8引腳DIP/SO封裝，最大串行時(shí)鐘頻率為14MHz，數(shù)字更新頻率為877kHz。AD694是單片大信號(hào)輸入電壓/電流變換器。電流輸出可以設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)的420mA環(huán)路電流，其輸入可通過(guò)對(duì)引腳的不同連接來(lái)實(shí)現(xiàn)02V、010V等范圍的變換。該芯片具有很高的線性度，僅有0.002%的典型非線性度。MAX538的滿度輸出電壓為2V，而AD694可以接成2V輸入，同時(shí)AD694片內(nèi)又可提供MAX538需要的2V參考電壓，所以2枚芯片共同使用可以配合得非常好，電路簡(jiǎn)潔，無(wú)須調(diào)試就可達(dá)到很高的精度。5 儀表結(jié)構(gòu)的優(yōu)化電子皮帶秤往往作為計(jì)量或配比控制系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分，安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；而皮帶秤控制儀表一般要安裝在集中控制室中。二者的距離近則數(shù)十米，遠(yuǎn)則數(shù)百米。因此，傳感和控制信號(hào)的傳輸就是必須要考慮的一個(gè)問(wèn)題。傳統(tǒng)的方法是采用電流環(huán)的方式傳送荷重傳感器信號(hào)、測(cè)速傳感器信號(hào)和變頻器速度給定信號(hào)，每臺(tái)皮帶秤需要遠(yuǎn)距離傳送的信號(hào)線路為3對(duì)。而筆