基于SOPC的定量稱重控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、 ：元年技術創(chuàng)新片上系統(tǒng)技術應用例您的論文得到兩院院士關注引言在化工、水泥、糧食、飼料等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，需要對物料進行定量稱重控制，完成自動稱重包裝。物料可以劃分為顆粒、粉末、液體等類型。采用人工進行的定量稱重包裝不但效率低，而且計量精度低。全自動定量稱重控制系統(tǒng)不但滿足很高的計量精度，而且具有很強的穩(wěn)定性，且具有精度高、功能強大、操作簡便等特點。隨著嵌入式系統(tǒng)和微電子技術的發(fā)展，全自動定量稱重控制系統(tǒng)的實現(xiàn)技術也在不斷地發(fā)展?？删幊唐舷到y(tǒng)（）是一種靈活高效的設計方式，它根據(jù)系統(tǒng)設計的需要將、存儲器、等各種核集成到一個可編程邏輯芯片（）上，構成一個可編程的片上系統(tǒng)。采用設計方式可以很容易對

2、已有的設計進行修改，靈活性高。本文設計的定量稱重控制系統(tǒng)采用公司的解決方案，它基于嵌入式軟核多核結構，軟核是一個位嵌入式處理器，性能超過，在性能上可滿足當前的大部分嵌入式產(chǎn)品的設計。公司提供了完整的開發(fā)套件：、和仿真工具等軟件，并將它們無縫地集成在一起，這為當前嵌入式系統(tǒng)設計提供了新方法，并帶來了巨大的便利，可輕松實現(xiàn)從底層的硬件設計到上層的軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)的復雜性。系統(tǒng)總體設計本系統(tǒng)要求稱重測量誤差小于，且系統(tǒng)的功能比較復雜，既要實時處理采集過來的數(shù)據(jù)，還要實現(xiàn)控制、顯示、存儲以及與上位機通訊等功能，同時還要實現(xiàn)復雜的稱重預測控制算法，一般在幾秒中之內要完成物料的動態(tài)稱重測量

3、和包裝，特別地，系統(tǒng)若要控制多路稱重傳感器的測量和包裝，采用單來控制的話，勢必會影響到系統(tǒng)的速度，很難實現(xiàn)高精度的稱重測量和控制需求?？梢钥紤]采用多系統(tǒng)來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的多處理器系統(tǒng)使系統(tǒng)結構復雜，可靠性降低，且增加了系統(tǒng)的開發(fā)難度。采用的實現(xiàn)方案，很好地解決了系統(tǒng)實現(xiàn)功能復雜性和系統(tǒng)設計復雜性的矛盾，及以上版本支持多處理器系統(tǒng)的創(chuàng)建和調試。多個處理器能夠有效地共享系統(tǒng)資源，由于允許用戶輕松添加多個處理器到系統(tǒng)中，建立多處理器系統(tǒng)的難點已不再是硬件的排列和連接，而在于多個處理器的軟件的設計，使它們正常操作，相互之間不產(chǎn)生沖突。為防止多個處理器的相互干擾，在開發(fā)套件中包含一個硬件互斥核（）。這個硬件

4、互斥核允許不同的處理器在某一時間段聲明對共享資源的所有權。一個處理器對資源的臨時所有權防止共享資源被其他處理器破壞。在中，對多處理器系統(tǒng)的調試也比較容易。采用多處理器系統(tǒng)實現(xiàn)的全自動稱重控制系統(tǒng)，功能劃分如下：完成鍵盤參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)顯示、打印、與上位機通訊等功能，分別完成每路的物料的動態(tài)稱重測量和控制，具體包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波，稱重預測控制算法軟件或硬件實現(xiàn)以及自動包裝控制等功能。圖給出了包含個的系統(tǒng)硬件結構圖。各自運行獨立的軟件，之間通過片上存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。基于的定量稱重控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)（哈爾濱理工大學）李蘭英李豐旺摘要：針對全自動定量稱重控制系統(tǒng)所要求的高精度、高可靠性、多功能

5、等特性，給出了基于多嵌入式軟核處理器的全自動定量稱重控制系統(tǒng)的可編程片上系統(tǒng)（）軟硬件設計方法。采用稱重傳感器、模數(shù)轉換器、去極值平均濾波算法和預測控制算法，實現(xiàn)了顆粒、粉末狀等物料的高精度測量及自動包裝控制。該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、成本低、可靠性高、易于擴充等特點，現(xiàn)場測試結果表明，系統(tǒng)測量稱重誤差小于。關鍵詞：；軟核處理器；動態(tài)稱重中圖分類號：文獻標識碼：，：，文章編號：（）李蘭英：副教授碩士技術創(chuàng)新中文核心期刊微計算機信息（嵌入式與）年第卷第期元：現(xiàn)場總線技術應用例片上系統(tǒng)系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)本設計采用公司的新一代低成本實現(xiàn)設計，系統(tǒng)硬件主要包括上的處理器系統(tǒng)和外的接口和外設兩部分。處理器系

6、統(tǒng)主要由基于的、串行接口、存儲器控制器；、定時器、控制器以及片上、互斥核等組成。與相連的外設包括串行配置器件、鍵盤、顯示器、打印機、料位、料門開關等，稱重傳感器與直接相連，通過定時器提供系統(tǒng)的定時時鐘和定時中斷請求信號；串口通過總線與上位機通訊，實現(xiàn)多系統(tǒng)的上位機監(jiān)控。通過可實現(xiàn)對、料門開關、鍵盤、顯示器、打印機等外設的控制，存儲器控制器分別與片外和連接，實現(xiàn)對存儲器的訪問。圖稱重控制系統(tǒng)結構圖本控制系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)的步驟如下：首先在中，使用公司提供的，對和各外設模塊的特性、參數(shù)大小及在系統(tǒng)中地址分配等進行設定；然后啟動中的，使之生成用于綜合和仿真的文件；最后，使用軟件鎖定端口引腳，對生成的

7、系統(tǒng)進行仿真、綜合、適配、下載和配置。這樣即實現(xiàn)了如圖所示的硬件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集及其處理數(shù)據(jù)采集及其處理由稱重傳感器、模數(shù)轉換和完成，的數(shù)據(jù)采集電路如圖所示。圖中，由橋式壓力傳感器輸出電壓信號進入到輸入通道和，經(jīng)過模數(shù)轉換，再經(jīng)過中的數(shù)字濾波器進行濾波，濾波后的數(shù)據(jù)通過、等信號通過中斷的方式送給進行相應的處理，得到期望的精確數(shù)據(jù)。是美國公司推出的一款高分辨率的轉換器，采用雙通道全差分模擬輸入，可直接和傳感器輸入信號相連，并可自校準和系統(tǒng)校準。特別適合用于寬動態(tài)范圍內的低頻信號轉換，具有優(yōu)良的抗噪聲性能。在稱重控制器中使用分別與稱重傳感器和直接接口。為了能夠得到高精度的采集數(shù)據(jù)，要有很高的工作頻率

8、。的工作頻率設為，專門負責數(shù)據(jù)采集及算法的處理。每隔，從中讀取轉換值，然后進行數(shù)字濾波處理，得到期望的近似數(shù)據(jù)。圖數(shù)據(jù)采集電路圖功能的實現(xiàn)主要完成顯示、存儲、打印和通訊等功能。這些功能由控制外圍設備來實現(xiàn)。稱重開始前，先通過液晶顯示屏和鍵盤進行人機界面交互，輸入控制參數(shù)，系統(tǒng)稱重開始后，通過共享存儲器獲取并顯示檢測的稱重數(shù)據(jù)，把檢測值和標定的參數(shù)值進行比較，根據(jù)比較的結果進行稱重預測控制算法的計算，根據(jù)計算結果輸出控制信號進行稱重控制。稱重結束后可以由把本次稱重以及累積稱重的結果打印出來，同時把結果記錄在中。可同時控制幾臺甚至十幾臺稱重控制器，且通過與上位機通訊，實現(xiàn)定量稱重控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控

9、。多路控制的實現(xiàn)要實現(xiàn)多路控制，只需在圖的基礎上增加和相關核來實現(xiàn)，這對于來說是很方便的。例如要實現(xiàn)路控制，只需增加一個軟核，添加和相同的定時器和核，再增加相應的數(shù)據(jù)采集和控制電路就可以實現(xiàn)，注意多個處理器可共用片外的和，只要其容量足夠大，也即不需要重新制作控制電路板。負責該路數(shù)據(jù)的采集、濾波和稱重控制算法的計算和控制量的輸出，以此類推，可以用同樣的方法設計路、路等等。這樣我們就可以用一臺控制系統(tǒng)去完成多路測量，實現(xiàn)一臺控制系統(tǒng)控制多個包裝系統(tǒng)，從而在不影響稱重精度的基礎上大幅度降低成本。 ：元年技術創(chuàng)新片上系統(tǒng)技術應用例您的論文得到兩院院士關注軟件系統(tǒng)總體設計軟件總體設計軟件是基于集成開發(fā)環(huán)

10、境（），采用語言開發(fā)完成的，主要是完成參數(shù)的輸入、打印、顯示和通信等功能，軟件主要包括鍵盤管理與參數(shù)輸入，狀態(tài)測試，稱量系統(tǒng)校正和與上位機通信等模塊。為了節(jié)約系統(tǒng)功耗，在設定完系統(tǒng)參數(shù)后，顯示可關閉。在稱量參數(shù)設置完成后，就可以啟動自動稱量。在自動稱量完成后，可以顯示靜重值和扣重值。主要是完成數(shù)據(jù)采集和預估控制算法的計算及稱重控制，數(shù)據(jù)采集采用中斷方式，中斷時間設置為。去極值平均濾波算法稱重測量的精度直接影響系統(tǒng)的定量包裝控制的準確性，所以采集數(shù)據(jù)的精度對保證系統(tǒng)的精度至關重要。工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，為了準確地進行稱重數(shù)據(jù)的采集，必須對采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理，濾掉干擾信號。在實際應用中采用了去極值

11、平均濾波算法，既可以消除由系統(tǒng)外部環(huán)境偶然因素引起的突變性擾動造成的尖脈沖干擾，又能夠使數(shù)據(jù)平滑。去極值平均濾波算法是一種比較典型的復合濾波算法，它是由中值濾波算法和滑動平均濾波算法復合而來。由于它具有簡單實用的特點，所以得到廣泛運用。去極值平均濾波算法的原理是：建立一個固定長度為的隊列，對每一組新的采樣值，先用中值濾波算法濾除采樣值中的脈沖性干擾，即剔除個最大值和個最小值（）；然后求出余下的個采樣值的平均值，選取這個平均值為本次采樣值。顯然，這種方法既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾。現(xiàn)場測試分析通過現(xiàn)場測試，得到對設定值為的大米進行稱重包裝的數(shù)據(jù)如表所示。結果表明：系統(tǒng)誤差小于。表比

12、較實際誤差結論現(xiàn)場測試結果表明，系統(tǒng)測量稱重誤差小于。本文的創(chuàng)新點在于：基于的定量稱重控制系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、成本低、可靠性高、易于擴充等特點，其實現(xiàn)技術可廣泛適用于各種測量與控制系統(tǒng)。參考文獻：，李蘭英嵌入式軟核設計原理及應用北京：北京航空航天大學出版社，劉書明高性能模數(shù)與數(shù)模轉換器件西安：西安電子科技大學出版社，陳寶遠，房國志，于曉陽多級給料粉狀物料稱重系統(tǒng)的預測控制算法電機與控制學報，（）：，袁景超，宋廣為連續(xù)稱重給料系統(tǒng)稱重精度的穩(wěn)定提高微計算機信息，（），作者簡介：李蘭英（），女（漢族），貴州省貴陽市，哈爾濱理工大學計算機科學與技術學院副教授，碩士，主要研究方向：計算機控制與嵌入式系

13、統(tǒng)。李豐旺（），男（漢族），江西省臨川市，哈爾濱理工大學計算機科學與技術學院，碩士研究生，主要研究方向：計算機應用。：（），（黑龍江省哈爾濱哈爾濱理工大學）李蘭英李豐旺（，）通訊地址：（黑龍江省哈爾濱理工大學計算機科學與技術學院信箱）李蘭英（收稿日期：）（修稿日期：）踏破鐵鞋無覓處得來全不費功夫余萬嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)人員，盼望已久的嵌入式系統(tǒng)應用精選例一書，已經(jīng)面世了，他含蓋了數(shù)碼相機、洗衣機、電話交換機、精密儀器、智能儀表、機器人應用、三表自動抄、變頻器應用、電梯應用、數(shù)控機床應用、電力機車應用、變電站綜合自動化應用、造紙應用、水泥生產(chǎn)應用、啤酒生產(chǎn)應用，各種自動化生產(chǎn)過程監(jiān)控應用和總線應用、網(wǎng)絡應用、多媒體應用、