基于DSP的稱(chēng)重控制器設計

1 引言

　　在玻璃行業(yè)中， 通過(guò)電振機或絞龍電機供料是技術(shù)成熟并被廣泛采用的方法， 其優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單控制方便。在此基礎上設計的稱(chēng)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(shí)時(shí)性，高速運算等方面的優(yōu)勢巨大，將逐步成為工業(yè)控制的主流選擇。本設計針對玻璃配料過(guò)程中存在的稱(chēng)重精度不高， 自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題， 采用了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(zhuān)門(mén)設計了與F2812內置模數轉換器相匹配的放大電路，并在A(yíng)/D 采樣過(guò)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(chēng)重控制器、備料斗、計量斗和相關(guān)動(dòng)力裝置。備料斗用來(lái)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(dòng)， 通過(guò)改變電振機的振動(dòng)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(gè)放置在稱(chēng)重傳感器上的懸浮容器，控制器通過(guò)解讀傳感器的數據得到計量斗內的物料質(zhì)量。

　　當開(kāi)始稱(chēng)重過(guò)程時(shí)， 稱(chēng)重控制器發(fā)出控制信號， 備料斗開(kāi)始快速下料， 物料進(jìn)入計量斗后， 由計量斗下方的傳感器測得重量信號， 信號經(jīng)處理還原為物料的重量?？刂破髯詣?dòng)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(shí)(如10%，即達到目標重量的90％)，發(fā)出信號并驅動(dòng)備料斗進(jìn)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(fā)出停止加料信號時(shí)，會(huì )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(chēng)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(jìn)行偏差值的判斷并進(jìn)行下一步的控制(即點(diǎn)動(dòng)加料模式)， 直至重量達到目標值。然后控制器發(fā)出信號， 打開(kāi)計量斗排出稱(chēng)重完畢的物料，完成一次稱(chēng)重控制過(guò)程。結合以上工作過(guò)程控制器設計如下。

　　3 控制器硬件實(shí)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(pán)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(xiàn)結構，計算能力強，最高運行速度達到150MIPS，能夠處理包括稱(chēng)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(mǎn)足大部分程序設計要求;支持45 個(gè)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(jìn)行模數轉換，在系統設計時(shí)不必增加額外的硬件;具有兩個(gè)串行通信接口(SCI)以及一個(gè)串行外圍接口(SPI)，可簡(jiǎn)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(wèn)題。在現場(chǎng)應用中，以10V 電壓激勵靈敏度為2mV/V 的稱(chēng)重傳感器，其滿(mǎn)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(gè)運算放大器組成的儀用放大電路(圖2)。電路中左側兩個(gè)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(jīng)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(guò)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(gè)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(chēng)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(jiǎn)化電路設計。