基于DSP的稱重控制器設計

1 引言

　　在玻璃行業中，通過電振機或絞龍電機供料是技術成熟并被廣泛采用的方法，其優點是結構簡單控制方便。在此基礎上設計的稱重控制器大多以傳統單片機為核心。相對傳統單片機，數字信號處理器在實時性，高速運算等方面的優勢巨大，將逐步成為工業控制的主流選擇。本設計針對玻璃配料過程中存在的稱重精度不高，自動化程度不高等問題，采用了DSP高性能數字信號處理器TMS320F2812（F2812）作為核心器件。控制器在設計了友好人機界面的基礎上，專門設計了與F2812內置模數轉換器相匹配的放大電路，并在A/D 采樣過程中加入了采樣校準的方法，保證采樣數據更加準確;采取數字濾波方法處理采樣數據，濾除采樣數據中的干擾。

　　2 配料系統工作流程

　　玻璃配料系統一般包括稱重控制器、備料斗、計量斗和相關動力裝置。備料斗用來存儲一定量的待測物料，備料斗下方的出料口由電振機的驅動，通過改變電振機的振動速度可以改變備料斗的出料的速度。備料斗下方是計量斗，它是一個放置在稱重傳感器上的懸浮容器，控制器通過解讀傳感器的數據得到計量斗內的物料質量。

　　當開始稱重過程時，稱重控制器發出控制信號，備料斗開始快速下料，物料進入計量斗后，由計量斗下方的傳感器測得重量信號，信號經處理還原為物料的重量。控制器自動比較當前的物料重量與目標重量的偏差，當偏差值E 縮小到一定范圍時(如10%，即達到目標重量的90％)，發出信號并驅動備料斗進行慢速下料，使測得的重量值變化減緩，有利于精確控制。每當控制器發出停止加料信號時，會有一定量的物料剛剛脫離電振機出口正在下落(即“飛料”)，使最終稱得的物料重量要大于系統判定的目標重量。一般采取的解決辦法是在達到目標值之前提前停止加料，等待“飛料”落下，待檢測值穩定后，控制器再進行偏差值的判斷并進行下一步的控制(即點動加料模式)，直至重量達到目標值。然后控制器發出信號，打開計量斗排出稱重完畢的物料，完成一次稱重控制過程。結合以上工作過程控制器設計如下。

　　3 控制器硬件實現

　　控制器硬件框圖由圖1 給出，主要由F2812、信號調理電路、顯示/ 鍵盤模塊、串口通信模塊組成。F2812作為一款32 位的數字信號處理器，采用哈佛總線結構，計算能力強，最高運行速度達到150MIPS，能夠處理包括稱重控制和軟件濾波等多種算法;內部包括128KB 的閃存(FLASH)和128KB 的只讀存貯器(ROM)，存儲空間大可滿足大部分程序設計要求;支持45 個外圍中斷，響應迅速，方便子程序的快速調用;片上集成了12 位A/D轉換器，能夠快速地進行模數轉換，在系統設計時不必增加額外的硬件;具有兩個串行通信接口(SCI)以及一個串行外圍接口(SPI)，可簡化通訊接口設計，使系統緊湊。

圖1 系統硬件框圖。

　　3.1 信號調理電路

圖2 放大電路原理圖。

　　信號調理電路主要完成模數轉換前的信號的濾波和放大，由于本設計采取軟件濾波，所以主要考慮信號的放大問題。在現場應用中，以10V 電壓激勵靈敏度為2mV/V 的稱重傳感器，其滿量程輸出信號電壓為20mV。F2812 內置A/D 轉換器的輸入電壓為0-3V，所以必須設置放大電路。設計采用由3 個運算放大器組成的儀用放大電路(圖2)。電路中左側兩個OP07 組成第一級差分放大電路，右側OP07 為第二級差分放大，調節1k Ω可變電阻即可調節電路的增益。經計算要使增益調節達到15 0 倍，需要將可變電阻R 調節到1.33 Ω。采用此種電路輸入阻抗高，共模抑制比高。為了防止意外情況下輸入電壓超過DSP 的工作電壓而損壞芯片，在信號輸入DSP 引腳之前還需外接一個3V 的穩壓管。

　　3.2 A/D 轉換與采樣校準

　　A/D 轉換的精度將很大程度上決定稱重控制器的精度。本設計采用F2812 自帶的模數轉換器，這樣可以在達到控制器所要求轉換精度的基礎上簡化電路設計。

　　增益誤差和偏移誤差是影響A/D 轉換精度的主要因素。增益誤差是指實際傳輸函數的斜率與理想傳輸函數的斜率的差別;偏移誤差是指輸入為零時實際輸出與零的偏差。本設計采用了采樣校準的方法補償增益誤差和偏移誤差。F2812 的一組A/D 轉換單元內8 個通道之間的誤差典型值小于0.2%，通過采樣另外2 個采樣通道的已知參考電壓H x 、L x ，得出A / D 轉換結果H y 、L y ，再利用求解線形方程組的原理計算出增益誤差和偏移誤差，然后計算出較精確的轉換結果。y 為待校正量，則校正后的結果x 可由式1 表示:

　　F2812 芯片本身設計有A/D 轉換采樣校準的參考電壓，分別由ADCREFP、ADCREFM 引腳輸出，電壓分別為2V、1V。使用時外接10 μ F 的低等效串連電阻陶瓷旁路電容到地，可直接使用。但是其電壓輸出精度有限，所以另外設計了參考電壓生成電路[6]，電路示意圖如圖3 。其中A0、A6、A7 為同一組A/D 轉換通道的三個輸入腳。A0 為待測模擬信號輸入引腳，A6、A7 為已知電壓信號的輸入引腳。為了盡量減少了數字電路對模擬電路的干擾，本設計在PCB 布局時將ADCINxx 引腳模擬線遠和數字信號線分開放置，并將A/D 模塊的功率引腳線所連的電源和地與數字電源和地分開放置。