基于CS5530的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊丙根

[摘要]本文介紹了一種基于CS5530的動(dòng)態(tài)稱重控制系統(tǒng),重點(diǎn)介紹了CS5530的性能、動(dòng)態(tài)稱重對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,給出了硬件原理框圖及軟件實(shí)現(xiàn)流程圖,系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了實(shí)踐證明是可行的,有非常好的性價(jià)比。

[關(guān)鍵詞]CS5530 線性度 數(shù)據(jù)采集 動(dòng)態(tài)稱重

[中圖分類號(hào)]TP391[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1007-9416(2009)11-0007-02

1 引言

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是應(yīng)用于動(dòng)態(tài)電子秤的控制系統(tǒng),對(duì)工作物料進(jìn)行快速稱重計(jì)量和精確實(shí)時(shí)控制。廣泛應(yīng)用于糧食、化工、冶金、建材等行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的稱重計(jì)量和控制。

動(dòng)態(tài)稱重控制系統(tǒng)的性能直接影響到動(dòng)態(tài)電子秤的精度、速度,對(duì)保證企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率有關(guān)鍵的影響,而系統(tǒng)的工作現(xiàn)場(chǎng)較為惡劣,且由于物料的不同、生產(chǎn)要求也有很大的不同,其精度要求可能是千克,也有可能是百分之一克,同時(shí)為提高生產(chǎn)效率又要求系統(tǒng)在保證精度的前提下,盡可能地提高稱重速度,這對(duì)控制系統(tǒng)的提出了很高的要求,因此設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的、有較高性價(jià)比的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯得非常關(guān)鍵。

2 CS5530 數(shù)據(jù)采集芯片簡(jiǎn)介

CS5530是Cirrus Logic公司推出的低成本、24位△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器,它具有較強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì),擁有可與CS553X系列其他產(chǎn)品相媲美的低噪聲性能和靈活的輸出字符率。憑借其低噪聲儀器放大器、24位分辨率等先進(jìn)性能,CS5530成為稱重系統(tǒng)、低成本溫度控制器、數(shù)字面板式儀表和工藝控制模塊等科學(xué)測(cè)量應(yīng)用的理想選擇。

CS5530是高集成度的△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器,擁有一個(gè)差分輸入通道和固定增益可達(dá)64 x的高性能的斬波穩(wěn)零儀表放大器,內(nèi)部有一個(gè)4階△-∑調(diào)制器,其后跟著一個(gè)數(shù)字濾波器,具有較好的噪聲抑制能力,線性誤差達(dá)%FS,可測(cè)量單/雙極小信號(hào),可分辨最小輸入信號(hào)的電壓為12nV。

在主時(shí)鐘頻率在4.9152MHz振蕩器的情況下,CS5530可提供最高可達(dá)3.84KHz SPS的輸出字速率,并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為了方便與微處理器之間的通訊,CS5530提供了一個(gè)與SPI和Microwire兼容的3線制串行接口。

3 動(dòng)態(tài)稱重控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為滿足動(dòng)態(tài)稱重要求精度高、速度快的要求,同時(shí)根據(jù)國(guó)內(nèi)工業(yè)控制領(lǐng)域的特殊性,需要提供盡可能多的控制通道、控制信號(hào)以及能根據(jù)需要隨時(shí)改變控制信號(hào)功能。筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道數(shù)據(jù)采集、可擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)稱重控制系統(tǒng),該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集制作成獨(dú)立的模塊,利用插卡的方式與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,這樣就可以根據(jù)需要擴(kuò)展通道(插一塊卡就可以增加1個(gè)通道),另外采用ARM7微處理器,利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,可以最多處理16個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制,并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每個(gè)通道的控制功能進(jìn)行編程更改,以滿足用戶的不同工作要求。

多通道、可擴(kuò)展動(dòng)態(tài)稱重控制系統(tǒng)的硬件組成原理框圖如圖1所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡可根據(jù)需要設(shè)計(jì)若干路,每一路采集來(lái)自傳感器的信號(hào),設(shè)計(jì)中傳感器采用壓電式傳感器,將重量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),由于壓電式傳感器具有體積小、輸出線性好、成本低等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于各種稱重控制的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

采集卡電路由A/D(CS5530)和信號(hào)前置處理兩部分,前置部分完成對(duì)傳感器輸入信號(hào)的濾波、共模抑制及隔離等處理,其處理結(jié)果可為CS5530提供穩(wěn)定、可靠的共模信號(hào),CS5530將信號(hào)轉(zhuǎn)換為24位的數(shù)字信號(hào),其轉(zhuǎn)換速率可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 H8S單片機(jī)系統(tǒng)

H8S單片機(jī)系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心,主要有H8S系列單片機(jī)、鐵電存儲(chǔ)器等部分組成,H8S系列單片機(jī)由瑞薩公司出品,具有速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、位控功能好等特點(diǎn),是一款適合于復(fù)雜工業(yè)控制系統(tǒng)要求的性價(jià)比較優(yōu)的單片機(jī);其16位的數(shù)據(jù)處理較常符合重量數(shù)據(jù)要求精度高、速度快的處理要求。大容量的內(nèi)嵌RAM和Flash使得系統(tǒng)無(wú)須外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備即可滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。鐵電存儲(chǔ)器主要用于存放重要的工作參數(shù)和各種工作統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),鐵電存儲(chǔ)器具有讀寫速度快、讀寫次數(shù)無(wú)限、可永久存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于需要永久存儲(chǔ)的場(chǎng)合。

3.3 輸入/輸出控制電路

輸入/輸出控制電路共有1 2路的輸入信號(hào)和12路輸出信號(hào),為保證輸入信號(hào)可靠及減少外界對(duì)本系統(tǒng)電路的影響,利用光耦隔離外界與系統(tǒng),輸出部分為了保證驅(qū)動(dòng)工作現(xiàn)場(chǎng)的大功率工作設(shè)備,設(shè)計(jì)了大功率的放大電路,可提供最大可達(dá)1A的電流輸出。許多電氣設(shè)備(如電磁閥)可直接接入本系統(tǒng)而無(wú)須中間加接繼電器,這樣可大幅度提供系統(tǒng)控制的工作速度。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

多通道、可擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng),具有較多的功能,包括重量數(shù)據(jù)的采集及處理、顯示及鍵盤處理、參數(shù)設(shè)置、不同工作模式的控制流程處理、輸入/輸出功能編程處理等。這些功能的實(shí)現(xiàn)主要由軟件完成,H8S單片機(jī)是瑞薩公司提供的產(chǎn)品,其系列中既有低端的8位、16位微處理器,也有內(nèi)核為ARM的高端微處理芯片,瑞薩公司也提供了HEW集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)就是在HEW環(huán)境中開(kāi)發(fā)成功的。

由于本系統(tǒng)較為復(fù)雜,本文只介紹系統(tǒng)主流程、重量數(shù)據(jù)的采集及處理、不同工作模式的控制流程處理等三個(gè)模塊。

4.1 系統(tǒng)主流程

系統(tǒng)主流程包括系統(tǒng)初始化、鍵盤輸入處理、通訊處理及根據(jù)輸入信號(hào)確定是否進(jìn)入稱重控制模式。其中系統(tǒng)初始化包括存儲(chǔ)器初始化、顯示器初始化、工作參數(shù)初始化、輸入/輸出初始化、定時(shí)器初始化、通訊初始化、CS5530初始化等模塊;鍵盤輸入處理完成對(duì)參數(shù)設(shè)置、去皮等功能操作;通訊處理完成為通訊要求準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。而顯示器的處理、鍵盤的讀入、A/D數(shù)據(jù)的采集、通訊等功能將在不同的中斷中實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)主流程程序流程圖如圖2所示。

4.2 重量數(shù)據(jù)采集及處理程序

重量數(shù)據(jù)采集及處理程序主要完成將采集到的A/D數(shù)據(jù)存放到緩沖區(qū)中,并進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)變換及形成顯示緩沖區(qū)等處理。其中數(shù)字濾波子程序采用加權(quán)移動(dòng)中值濾波算法,以去掉偶然因素引起的波動(dòng)和消除尖脈沖干擾;數(shù)據(jù)變換子程序?qū)⒔?jīng)過(guò)濾波處理后的A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為重量數(shù)據(jù)。

每一通道的重量數(shù)據(jù)采集及處理程序流程圖如圖3所示。

4.3 控制流程處理程序

控制流程處理程序主要完成對(duì)轉(zhuǎn)換后得到的重量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比較,并根據(jù)不同的工作模式將重量數(shù)據(jù)和設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果和預(yù)先設(shè)定的控制流程完成對(duì)秤體的控制,以完成各種不同的工作流程。

為了滿足不同秤體、不同工作現(xiàn)場(chǎng)的工作需要,本設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可以根據(jù)用戶需要更改輸入/輸出功能的設(shè)置程序,這樣用戶就可以根據(jù)自己的要求來(lái)設(shè)置輸入/輸出口的功能,以完成相應(yīng)的工作流程。

每一通道的控制流程處理程序的流程圖如4圖所示。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工業(yè)化程度的推進(jìn),工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程將進(jìn)一步加快,工業(yè)產(chǎn)品將從粗放型逐步走向精細(xì)型。在這樣的大背景下,動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)將得到廣泛應(yīng)用。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,高性能的微計(jì)算機(jī)正成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主力軍,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用更使工業(yè)控制產(chǎn)品進(jìn)入一個(gè)全新的領(lǐng)域。筆者設(shè)計(jì)的多通道、可擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)稱重控制系統(tǒng)利用了嵌入式的概念,使得重量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為一個(gè)獨(dú)立的模塊,這樣可使得硬件設(shè)計(jì)可以逐步趨向標(biāo)準(zhǔn)化,而軟件功能的可編程化,使得系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中可以根據(jù)需要來(lái)改變其控制流程和功能。

筆者設(shè)計(jì)的多通道、可擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)稱重控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越、并且成本較低,達(dá)到了智能化、可擴(kuò)展化、實(shí)用化的設(shè)計(jì)要求,實(shí)踐證明,該系統(tǒng)是可行的、可靠的,具有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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[3] www.cirrus.com.