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0引言
智能稱重系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)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(tài)稱重(如動物，家禽)存在功能單一或者沒有相應(yīng)的功能的問題［1］。在稱重技術(shù)中，應(yīng)用最普遍的是由應(yīng)變片和彈性體組成的測力傳感器。將重物放于稱重系統(tǒng)的托架上，待穩(wěn)定后，就可以準(zhǔn)確地讀出重量值，但當(dāng)需要進(jìn)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(dá)穩(wěn)態(tài)的時間較長，不能滿足快速測量的要求［2］。稱重信號中包含低頻隨機(jī)干擾，且采樣得到的信號太短，對動態(tài)稱重信號作簡單的數(shù)字濾波，系統(tǒng)的精度難以得到很大的提高。依據(jù)衡器國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于嵌入式計算機(jī)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(nèi)鎖功能、自動去皮功能、自動零跟蹤功能、動態(tài)檢測功能、手動和自動累計功能，又有動物稱重、計數(shù)、峰值保持和累加等特殊稱重功能。
1嵌入式稱重儀硬件構(gòu)成
系統(tǒng)由嵌入式計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集與存儲、信號處理、PWM脈寬調(diào)制、人機(jī)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(tǒng)的控制中心，完成多路信息的實時采集，對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波校正、分時存儲，完成對數(shù)字信號運算、顯示、傳輸?shù)裙δ埽梢酝ㄟ^對擴(kuò)展電路的控制，對鍵盤進(jìn)行掃描，而后通過鍵盤散轉(zhuǎn)程序，對整個系統(tǒng)進(jìn)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(jīng)處理電路(濾波、差動放大)以及PWM脈寬調(diào)制處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。通過USB接口與上位機(jī)通訊，可根據(jù)主機(jī)PC發(fā)送的控制參數(shù)，對被測對象的壓力參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，進(jìn)一步完成人機(jī)交互界面的管理、圖形功能、參數(shù)設(shè)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WindowsCE。PlatformBuilder是為嵌入系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)和定制基于WindowsCE的操作系統(tǒng)的工具。在創(chuàng)建基本平臺的過程中主要包括配置平臺、創(chuàng)建操作系統(tǒng)映像、傳輸映像到目標(biāo)設(shè)備和調(diào)試系統(tǒng)，而在定制平臺的過程中主要有開發(fā)用戶自己的OAL(OEMAdoptionLayer)、設(shè)備驅(qū)動程序、引導(dǎo)裝載程序、組件、本地化等［3］。
2主要電路設(shè)計
2．1數(shù)據(jù)采集電路
采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器PWC318N，用模擬開關(guān)、積分器、比較器等構(gòu)成Σ－Δ型調(diào)制器，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200次/s，與控制器結(jié)合PWC318實現(xiàn)對調(diào)制器脈沖信號進(jìn)行數(shù)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(nèi)部時鐘發(fā)生器產(chǎn)生時鐘頻率信號TCLK，脈寬控制器接受比較器的輸出Σ－Δ碼，同步到PWC318的內(nèi)部時鐘信號，產(chǎn)生脈寬輸出信號。脈寬輸出信號控制模擬開關(guān)，當(dāng)為“0”時，接通－VＲEF，當(dāng)為“1”時，接通+VＲEF。PWC318通過內(nèi)部16位計數(shù)器來計數(shù)脈寬輸出信號為高電平時的脈沖數(shù)，將結(jié)果進(jìn)行迭加后，通過向控制器發(fā)中斷請求，控制器讀計數(shù)值，實現(xiàn)對2N個采樣值迭加后取平均值的數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。

2．2人機(jī)接口電路
稱重儀需要實現(xiàn)輸出各種結(jié)果顯示，采用AG320240大屏點陣圖形液晶顯示模塊?？刂破髦惺褂昧?12K字節(jié)的存儲器，存儲了系統(tǒng)需要的16×16點陣漢字字庫、界面顯示背景圖等。由于液晶顯示器內(nèi)置了SED1335控制器，對液晶顯示器的控制變?yōu)閷ED1335控制器進(jìn)行接口通信，簡化了對液晶顯示的控制。稱重系統(tǒng)中設(shè)有多個功能鍵，鍵盤采用矩陣形式排列，按鍵設(shè)置在行列式交點上，通過鍵盤向裝置系統(tǒng)輸入相關(guān)參數(shù)和控制命令。
2．3信號處理與PWM電路
傳感器是稱重系統(tǒng)中實際承壓值測量的關(guān)鍵元件，稱重傳感器采用了應(yīng)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(diào)制電路，實現(xiàn)對小信號的自動控制補(bǔ)償，提高了電路的線性和穩(wěn)定性。信號處理與PWM電路如圖3所示。

3稱重儀的動態(tài)補(bǔ)償
荷重系統(tǒng)經(jīng)過簡化可以看成單自由度二階系統(tǒng)，測重環(huán)節(jié)中的應(yīng)變式測重傳感器加秤體構(gòu)成測重部分，可以等效為由彈簧、阻尼器組成［4］，系統(tǒng)等效模型如圖4所示。

式中:m為秤體質(zhì)量，由傳感器本身的等效質(zhì)量和托盤質(zhì)量組成;M(t)為被測質(zhì)量;C為阻尼比例系數(shù);K為剛度系數(shù);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(tǒng)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。因為應(yīng)變與應(yīng)力呈正比，而電橋輸出電壓U與應(yīng)變呈正比關(guān)系。設(shè)在一個時間段［t0，t0+Δt］內(nèi)，式(1)可以簡化為一個線性時不變系統(tǒng)，把F看作是Mg的一部分，即G=Mg+F。設(shè)各種初始條件為零，K0為靈敏系數(shù)，對式(1)做拉普拉斯變換得:

當(dāng)秤體空載時，敲擊秤臺產(chǎn)生沖擊激勵信號，獲得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，從而得到系統(tǒng)模型［4］，其階躍響應(yīng)如文獻(xiàn)［5］。荷重系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)較差，由于阻尼非常小，振蕩嚴(yán)重，采集的信號不能反映真實的測量值，同時阻尼過小，動態(tài)響應(yīng)過程到達(dá)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時間長，測重系統(tǒng)的快速性得不到保證。采用動態(tài)數(shù)字補(bǔ)償處理改變系統(tǒng)阻尼系數(shù)，在系統(tǒng)中增加串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)必須盡可能提高系統(tǒng)輸出動態(tài)品質(zhì)，即盡可能增加ωn，ξ達(dá)到最佳值0.707左右。系統(tǒng)輸出由X(s)轉(zhuǎn)化為Y(s)，即Y(s)=X(s)H(s)，且使Y(s)的ξ達(dá)到0.707，ωn不變。設(shè)數(shù)字補(bǔ)償環(huán)節(jié)H(s)的零點為X(s)的極點，數(shù)字補(bǔ)償環(huán)節(jié)H(s)的極點為Y(s)的極點，并將s域變換到z域，作雙線性變換有［6］:

假設(shè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)W(s)，系統(tǒng)的模型隨質(zhì)量M(t)改變而不斷改變它的極點，補(bǔ)償環(huán)節(jié)H(s)要保證系統(tǒng)始終是最佳二階系統(tǒng)，也應(yīng)跟隨系統(tǒng)動態(tài)模型不斷調(diào)整自己的零點，與系統(tǒng)的極點相抵消，達(dá)到動態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康?，H(s)的系數(shù)隨質(zhì)量M(t)是不斷變化的，補(bǔ)償原理如圖5所示。

敲擊實驗獲得實驗過渡過程曲線，由文獻(xiàn)［2］中的公式計算ξ，ωn值，其階躍響應(yīng)如圖6(a)所示，傳感器在最終輸出穩(wěn)定值之前，穩(wěn)定輸出需要0.55s．
對自適應(yīng)補(bǔ)償進(jìn)行仿真驗證，考慮模型存在誤差情況下的自適應(yīng)補(bǔ)償效果。因此，將系統(tǒng)的固有頻率ωn減小，此時，自適應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的零點與模型極點不能完全抵消。得到自適應(yīng)補(bǔ)償前后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性，如圖6(b)所示。系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性得到顯著改善，系統(tǒng)階躍響應(yīng)達(dá)到97%穩(wěn)態(tài)輸出的穩(wěn)定時間為0.6s，小于沒有補(bǔ)償0.55s，在存在系統(tǒng)誤差的情況下，能很好地提高動態(tài)測重的速度。

4試驗與分析
針對稱重儀進(jìn)行了普通稱重方式、計數(shù)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(shù)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(jīng)傳感器校準(zhǔn)，數(shù)字濾波和非線性補(bǔ)償后，每隔10min讀一次稱重顯示，普通稱重測量誤差小于0.25%，峰值稱重和計數(shù)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(dá)到設(shè)計的要求，穩(wěn)定可靠，測試結(jié)果如表1、表2、表3和表4所示。

5結(jié)束語
基于嵌入式計算機(jī)，并用USB接口，根據(jù)需求搭建了硬件平臺，對傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，使得傳感器的振蕩得以有效抑制，提高了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，經(jīng)過數(shù)字濾波等軟件處理，實現(xiàn)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(tǒng)具有良好的可靠性、準(zhǔn)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。

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