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    0 引言
    電子膠帶秤是安裝在膠帶輸送機(jī)的適當(dāng)位置上, 對散裝物料自動、動態(tài)、連續(xù)地累計稱量的計量器具。它廣泛應(yīng)用于散料貿(mào)易結(jié)算、生產(chǎn)工藝流程中的配料計量及檢測控制。
    膠帶秤控制儀表的性能好壞直接影響到膠帶秤的計量精度, 因為該儀表包括了信號的采樣、濾波、放大、A/ D 轉(zhuǎn)換, 瞬時流量計算和累計及顯示、參數(shù)設(shè)定、校秤程序, 對于配料秤還包括PID 動態(tài)調(diào)節(jié)部分和變頻器控制接口。因此, 對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是非常重要的。
    1 速度測量
    目前在以光電編碼器構(gòu)成的測速系統(tǒng)中, 常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量方法有三種: M 法( 頻率法) 、T法( 周期法) 、M/ T 法( 頻率/ 周期法) 。M 法是在既定的檢測時間內(nèi), 根據(jù)測量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速; T 法是根據(jù)測量相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間來確定轉(zhuǎn)速; M/ T 法是根據(jù)同時測量檢測時間和在該時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速, 能實現(xiàn)很寬的速度范圍內(nèi)等精度的速度測量。筆者所設(shè)計的控制儀表中轉(zhuǎn)速測量采用M/ T 法。專門介紹和分析M/ T 法原理的文章很多, 這里只作簡單介紹, 著重介紹一下具體電路的實現(xiàn)。轉(zhuǎn)速測量電路的實現(xiàn), 可以采用單片機(jī), 但是實現(xiàn)M/ T 法測速, 要占用3 路計數(shù)器, 而單片機(jī)片內(nèi)資源有限; 再者為了減少測速時間, 應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖頻率, 這又受到了單片機(jī)最高計數(shù)頻率的限制。所以采用CPLD 器件和單片機(jī)共同組成測速模塊。轉(zhuǎn)速測量電路主要由以下3 部分組成:
    ( 1) 信號整形電路: 用于待測速度信號的放大和整形, 以便作為CPLD 器件的輸入信號;
    ( 2) 測頻電路: 測速的核心電路模塊, 由CPLD器件擔(dān)任;
    ( 3) 單片機(jī)電路模塊: 用于控制CPLD 的測頻操作和速度的計算, 單片機(jī)的P0 口直接讀取測試數(shù)據(jù), P2 口向CPLD 發(fā)控制命令。
    等精度測速的實現(xiàn)方法可以簡單地用圖1 和圖2來說明。圖1 中, 預(yù)置門信號TSET 由單片機(jī)發(fā)出, T SET 的時間寬度對測量精度的影響較小, 這里設(shè)其寬度為T pr。FS 是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號輸入端, FX是測速碼盤脈沖信號的輸入端, 這2 路信號分別輸入到2 個可控的16 位高速計數(shù)器中。計數(shù)器的計數(shù)允許端ENA 高電平有效, 設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號頻率為Fs ,測速信號的頻率為Fx 。
    測速開始前, 先發(fā)出一個清零信號CLR, 將2 個計數(shù)器和D 觸發(fā)器置0, 然后由單片機(jī)發(fā)出允許測頻的命令, 即令預(yù)置門信號T SET 為高電平( 將圖1和圖2 聯(lián)系起來看) , 這時D 觸發(fā)器要一直等到被測速度信號的上升沿通過時, Q 端才被置1 ( 即STA RT 端變?yōu)楦唠娖? , 與此同時, 將同時啟動2 個計數(shù)器開始計數(shù)。

    在此期間, 2個計數(shù)器分別但同時對被測速度信號( 頻率為Fx ) 和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號( 頻率為Fs ) 計數(shù)。當(dāng)時間到T pr 后, 預(yù)置門信號T SET 被單片機(jī)置為低電平, 但此時2 個計數(shù)器仍沒有停止計數(shù), 一直等到隨后而至的被測速度信號的脈沖上升沿到來時,才通過D 觸發(fā)器將這2 個計數(shù)器同時關(guān)閉。由圖2可見, TSET 信號的寬度和發(fā)生的時間都不會影響計數(shù)使能信號START, 允許計數(shù)的周期總是恰好等于被測速度信號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, T SET 寬度的改變以及隨機(jī)出現(xiàn)的時間造成的誤差最多只有Fs 信號的1 個周期, 如果Fs 由精確穩(wěn)定的晶體振蕩器( 10 MHz) 發(fā)出, 則任何時刻的絕對測量誤差只有10- 7 s。
    設(shè)在1 次預(yù)置門時間Tpr 中, 被測速度信號計數(shù)值為N x , 標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值為N s , 則有:
     Fx / N x = F s/ Ns                     ( 1)
     測得的轉(zhuǎn)速頻率為
    Fx = (Fs / N s ) × Nx                 ( 2)
     測速輪轉(zhuǎn)速為
    n = Fx / P                                      ( 3)
     式中: P 為測速光電編碼器1 周的脈沖數(shù)。將轉(zhuǎn)速n 折算成膠帶的線速度為
    v = 2rn = 2rFs×Nx/ NsP ×( m/ s)             ( 4)
     式中: r 為測速輪半徑, m。
    最后通過控制SEL 選擇信號和32 位到8 位的多路轉(zhuǎn)換器MAX32- 8( 見圖1) , 將2 個計數(shù)器中的2 個16 位的計數(shù)值分4 次讀入單片機(jī), 再按( 4) 式計算出帶速。
    用1 片ALT RA 的CPLD 電路EPS7064, 在片內(nèi)設(shè)置2 個相同的獨立16 位計數(shù)器( COU NT0、COUNT 1) 。每個計數(shù)器都有自己的時鐘輸入CLK、計數(shù)器輸出OUT 和門控信號GAT E, 通過編程設(shè)置工作方式。當(dāng)GATE 端為高電平時, 允許計數(shù); 當(dāng)GATE 端為低電平時, 禁止計數(shù)。采用MAXPLU S II EDA 開發(fā)平臺, 利用其功能元件庫中的計數(shù)器IP 模塊, 編程方便。這種方案的優(yōu)點是可以減輕CPU 的負(fù)擔(dān), 減少對CPU 內(nèi)部資源的占用。2 荷重檢測
    影響膠帶秤計量精度的另一個主要因素是荷重的動態(tài)檢測。由于膠帶秤一般處于長期連續(xù)的工作狀態(tài), 在信號的放大、A/ D 轉(zhuǎn)換通道設(shè)計中, 穩(wěn)定性和抗干擾性能是首先要考慮的問題。因此, 放大電路選用了自穩(wěn)零斬波放大器ICL7650。這里著重討論膠帶秤儀表中A/ D 轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)?；诜€(wěn)定性的考慮, 選用V/ F 電壓/ 頻率轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)A/ D 轉(zhuǎn)換, 并對其常規(guī)用法作了改進(jìn)。本設(shè)計選用V/ F 轉(zhuǎn)換器中高性能芯片AD652。該芯片采用外部時鐘控制, 消除了內(nèi)部時鐘方式中阻容器件的穩(wěn)定性對精度的影響。該芯片的最高輸出頻率可達(dá)2 MHz,非線性誤差僅為0. 002% 。
    用V/ F 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的A/ D 轉(zhuǎn)換可以達(dá)到非常高的分辨率, 但這是以犧牲時間為代價的?？晒浪阋幌? 如采用1 M 輸出的V/ F 轉(zhuǎn)換器, 就是1 s 輸出1 000 K 計數(shù)值, 1 ms 輸出1 K 計數(shù)值, 近似于10 位A/ D 轉(zhuǎn)換值。10 ms 輸出10 K 計數(shù)值, 50 ms輸出為50 K 計數(shù), 接近16 位A/ D 轉(zhuǎn)換值: 65 535。由此看出要提高A/ D 的轉(zhuǎn)換速率, 只有提高V/ F轉(zhuǎn)換器的頻率輸出值。提高輸出頻率又帶來了新的問題, 用V/ F 轉(zhuǎn)換器完成A/ D 轉(zhuǎn)換, 需要1 個定時器和1 個計數(shù)器, 計數(shù)器的計數(shù)頻率限制了V/ F 器件輸出頻率的提高。如果采用51 系列單片機(jī)內(nèi)部的計數(shù)器, 計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為單片機(jī)工作頻率的1/ 24, 如采用12 MHz 的晶振, 它的最高計數(shù)頻率只能達(dá)到0. 5 M, 所以采用CPLD 器件組成高速計數(shù)器, 對AD652 輸出的1 M 脈沖進(jìn)行計數(shù)。AD652 的最高輸出頻率可達(dá)2 M, 選用1 M 的頻率是出于對V/ F 輸出線性的考慮。
    上面分析了提高A/ D 轉(zhuǎn)換速度從硬件上的考慮, 從上述M/ T 法測速中還可得到如下啟發(fā), 即直接采用和測速環(huán)節(jié)相同的硬件邏輯, 將測速信號換成V/ F 轉(zhuǎn)換器AD652 的輸出脈沖信號, 在數(shù)據(jù)處理上也和測速中的頻率測量方法相同。按( 2) 式計算出被測頻率。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10 MHz 的高精度晶振作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源, 測量周期Tpr 設(shè)定為10 ms, 也就是A/ D 轉(zhuǎn)換的時間, 完成16 位的A/ D 轉(zhuǎn)換, 絕對測量頻率誤差只有10- 7 s, 而轉(zhuǎn)換速度比傳統(tǒng)的算法提高了5 倍。3 輸出通道設(shè)計
    電子膠帶秤在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用時, 往往作為測控系統(tǒng)或配料系統(tǒng)的一部分。這就要求控制儀表不但要有顯示輸出, 還要由和其它系統(tǒng)相連接的數(shù)字量和模擬量輸出接口。電子膠帶秤控制儀表的模擬量輸出通道, 通常為0~ 10 mA 或4~ 20 mA 的電流輸出形式。對于配料秤, 要將PID 調(diào)節(jié)器的輸出控制信號傳輸?shù)侥z帶驅(qū)動電動機(jī)的變頻器, 以控制膠帶的瞬時流量跟隨設(shè)定值; 對于計量秤, 要輸出和流量成線性關(guān)系的電流模擬信號, 作為其它控制設(shè)備的輸入控制信號。對模擬量輸出接口的要求, 一個是精度的要求, 另一個是可靠性的要求。
    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)場的干擾信號污染到儀表。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, 同時給設(shè)計提供了更多的方便性和靈活性。如近年來串行ADC 和DAC 越來越多地應(yīng)用于計算機(jī)測控系統(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2~ 3 根CPU 口線。這就大大降低了信號隔離的成本, 可以淘汰昂貴的模擬信號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)線和時鐘線還可和其它同類型接口芯片共用, 只用3 個數(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12 位串行DAC, 具有8 引腳DIP/ SO 封裝, 最大串行時鐘頻率為14 MHz, 數(shù)字更新頻率為877 kHz。
    AD 694是單片大信號輸入電壓/ 電流變換器。

    電流輸出可以設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)的4~ 20 mA 環(huán)路電流,其輸入可通過對管腳的不同連接來實現(xiàn)0~ 2 V、0~ 10 V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2 V, 而AD694 可以接成2 V 輸入, 同時AD694 片內(nèi)又可提供MAX538 需要的2 V 參考電壓, 所以2 個芯片共同使用可以配合得非常好, 電路簡捷, 不須調(diào)試就可達(dá)到很高的精度。
    4儀表結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
    電子膠帶秤往往作為計量或配比控制系統(tǒng)中的一個組成部分, 安裝在工業(yè)現(xiàn)場, 而膠帶秤控制儀表一般要安裝在集中控制室中。兩者之間的距離近則數(shù)十米, 遠(yuǎn)則數(shù)百米。因此, 傳感器和控制信號的傳輸是必須要考慮的一個問題。
    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、測速傳感器信號和變頻器速度給定信號, 每臺膠帶秤需要遠(yuǎn)距離傳送的信號線路為3 對。而筆者設(shè)計的儀表采用分體式結(jié)構(gòu), 將儀表的測量控制部分和人機(jī)界面分開, 將儀表的控制部分放在現(xiàn)場的秤體旁邊, 做成一個密閉的機(jī)箱, 這部分除了沒有人機(jī)操作界面外, 是一個完整的可以獨立工作的膠帶秤控制系統(tǒng)。它的計量數(shù)值通過RS485 數(shù)字通信接口遠(yuǎn)傳到集中控制室內(nèi)的儀表或計算機(jī), 現(xiàn)場只完成數(shù)據(jù)的顯示和膠帶秤工作參數(shù)的設(shè)定。這種方案即使有十幾臺電子膠帶秤, 遠(yuǎn)傳信號線也只有1 對, 傳送距離比電流環(huán)方式更遠(yuǎn), 也簡化了設(shè)計、降低了成本, 便于維護(hù)。
    5 結(jié)語
    以上介紹的膠帶秤控制儀表的優(yōu)化設(shè)計方法,均已在實際設(shè)計中采用, 并取得了良好的效果。

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