基于ADuC845的嵌入式配料稱重系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李牡丹 ，李麗宏，雷張偉

LI Mu-dan1, LI Li-hong2, LEI Zhang-wei3

（1.華北電力大學 科技學院 動力系，保定 071051；2.太原理工大學 信息工程學院 自動化系，太原 030021；3.中國人民解放軍66382部隊，保定 074100）

0 引言

以單片機為核心技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)，已經(jīng)在工業(yè)過程控制中得到了廣泛應(yīng)用。這些系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器(CPU)、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及特定的應(yīng)用程序組成，主要用于實現(xiàn)對設(shè)備的控制、檢測或管理等功能。配料秤作為一種動態(tài)控制型衡器，廣泛應(yīng)用于冶金、煤炭、化工、建材等行業(yè)的物料配料中。它不僅要指示皮帶輸送機上所輸送物料的流量，而且還要根據(jù)輸送機上物料的流量和設(shè)定值的偏差去調(diào)整流量的大小，進而調(diào)節(jié)各種物料的配比，達到準確配比的目的[1]。本文設(shè)計了一種嵌入式配料稱重系統(tǒng)，以具有CAN總線接口的稱重儀表為核心，以各配料皮帶上物料流量為被控對象，通過嵌入式操作系統(tǒng)RTX51 Tiny，將應(yīng)用程序分解為幾個獨立的任務(wù)，從而使設(shè)計開發(fā)流程大大簡化。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

嵌入式配料稱重系統(tǒng)由上位機、調(diào)速電機、配料皮帶秤、稱重儀表、CAN總線接口等部分組成[2]。當各配料皮帶以一定的速度運行時，由各自稱重傳感器測得的重量信號和由測速傳感器測得的速度信號進入各稱重儀表，儀表對得到的數(shù)據(jù)進行運算處理后轉(zhuǎn)換為物料的瞬時流量和累計量。同時儀表對瞬時流量與設(shè)定流量進行比較，經(jīng)控制算法運算后，輸出4～20mA電流信號，將其送到調(diào)速電機改變電機轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)給料設(shè)備的給料速度，以穩(wěn)定物料流量從而達到準確配料的目的[2]。CAN總線接口集成在稱重儀表中，上位機通過CAN總線和各臺稱重儀表進行通信，可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)整等功能。嵌入式配料稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 稱重儀表硬件設(shè)計

具有CAN總線接口的稱重儀表是本系統(tǒng)的核心部分，設(shè)計中選用ADI公司的內(nèi)嵌大容量閃存的ADuC845作為微處理器，它的內(nèi)部有2個10通道的24位∑－△A/D轉(zhuǎn)換器，雙12位電壓輸出DAC和UART、I2C、SPI串行接口。

2.1 重量信號采集電路設(shè)計

圖1 嵌入式配料稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 重量信號采集電路圖

本配料稱重系統(tǒng)中，各配料皮帶采用電阻應(yīng)變片式稱重傳感器，將重量信號轉(zhuǎn)換為mV級脈動電壓信號，該信號含有各種高頻噪聲，經(jīng)過濾波處理，即可濾去無用信號。在此采用了串聯(lián)RC濾波，其中電阻R=10k，電容C選0.01uF，大于1000Hz的信號通過RC進入模擬地，小于1000Hz的信號保留。由于稱重傳感器輸出的信號在0～20mV之間，不滿足ADuC845A/D模擬輸入±20mV～2.56V的要求，設(shè)計中采用了美國B-B公司的精密儀表放大器INA118， 可調(diào)增益電阻Rg選用505Ω高精密、低噪聲的金屬膜電阻，將信號放大101倍后得到差分信號AIN1+，AIN1-[4]。由于ADuC845單片機片內(nèi)集成有2個24位∑－△A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計中將重量差分信號AIN1+，AIN1-送入單片機P1口的P1.0，P.1.1進行A/D轉(zhuǎn)換，最終得到重量信號值。重量信號采集電路如圖2所示。

2.2 速度信號采集電路設(shè)計

圖3 速度信號采集電路圖

本設(shè)計中采用光電式測速傳感器，利用發(fā)光二極管和光敏三極管組成的光電器件EE-SX674將配料皮帶速度轉(zhuǎn)換為脈沖信號FOUT1。由于該信號中也帶有一定的高頻噪聲，因此設(shè)計中先利用RC進行低通濾波，再經(jīng)過三極管Q101對信號進行放大，最后經(jīng)反相器74LS14緩沖后即得到標準的TTL高低電平信號SPEED，該信號送入單片機的T0進行計數(shù)。速度信號采集電路如圖3所示。

2.3 調(diào)節(jié)信號輸出電路設(shè)計

ADuC845單片機將物料的瞬時流量信號與設(shè)定的流量信號進行比較，根據(jù)兩者偏差進行PID運算，輸出一個調(diào)節(jié)量給調(diào)速電機，來調(diào)節(jié)給料機的給料頻率，進而保持瞬時流量恒定。設(shè)計中利用單片機的DAC功能將PID調(diào)節(jié)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為0～2.5V的模擬電壓信號，再經(jīng)壓流轉(zhuǎn)換器件AM462將0～2.5V電壓轉(zhuǎn)換為4～20mA調(diào)節(jié)電流輸出。調(diào)節(jié)信號輸出電路如圖4所示。

設(shè)計中選擇R3= R304＝47K，R4由1.43K的電阻R305和量程為2K的電阻器R306串聯(lián)組成；R2 =R302=47K，R1由9.1K的電阻R301 和量程為20K的電阻器R303串聯(lián)組成。當輸入信號為零時（VINP＝0），調(diào)整電阻器R306，使輸出電流IOUT= ISET=4mA；當輸入信號為2.5V時（VINP＝2.5V），調(diào)整電阻器R303，使輸出電流IOUT=20mA 。

2.4 CAN總線接口電路設(shè)計

嵌入式配料稱重系統(tǒng)中，各配料皮帶上物料的流量信息及系統(tǒng)中的其它參數(shù)通過CAN總線接口與上位機進行通信。設(shè)計中采用了Philips公司的獨立CAN總線控制器SJA 1000，由單片機的P2.3口控制SJA1000的片選，SJA1000的XTAL1、XTAL2接至6.24MHz的晶振，確保正確復位。通過CAN總線收發(fā)器PCA82C250將輸出連接到外部總線上，完成與上位機的通信[7]。CAN總線接口電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 RTX51 Tiny嵌入式操作系統(tǒng)

圖4 調(diào)節(jié)信號輸出電路圖

配料稱重系統(tǒng)采用 RTX51 Tiny嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)是德國Keil公司開發(fā)的用于51系列單片機的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以很容易地運行在51系列單片系統(tǒng)及由其派生的高性能單片機上，而不需外部存儲器的支持[8]。RTX51 Tiny的內(nèi)核集成在Keil 51編譯器中，很容易用Keil C51語言編寫和編譯多任務(wù)程序，便于循環(huán)任務(wù)切換。由于ADuC845單片機集成了很多資源，如62k字節(jié)的片內(nèi)閃存、電可擦除程序存儲器、2k字節(jié)的可以被映射到外部地址空間的XRAM，3個定時器，可使操作系統(tǒng)做必要、合理的配置，從而達到性能最優(yōu)和資源充分利用。

3.2 軟件任務(wù)的劃分及實現(xiàn)[9]

圖5 CAN總線接口電路圖

該系統(tǒng)中，軟件采取任務(wù)模塊化方式，完成初始化，看門狗，流量計算、校驗與標定，4～20mA調(diào)節(jié)輸出，CAN總線通信等功能。因此創(chuàng)建4個任務(wù)，os_creat_task (Feed_dog)，os_creat_task (Flowrate)，os_creat_task (Flowrate-tune), os_creat_task (CAN-send)。系統(tǒng)初始化以后，順序建立這4個任務(wù)，然后CPU進入休眠狀態(tài)。各個任務(wù)運行后即進入任務(wù)休眠狀態(tài)，等待其它任務(wù)的喚醒。相應(yīng)任務(wù)被喚醒以后進行處理，完成后再次進入休眠狀態(tài)。這樣減少了任務(wù)切換，減輕了系統(tǒng)負擔。

4 結(jié)束語

基于ADuC845的嵌入式配料稱重系統(tǒng)，以ADuC845單片機為核心，RTX51 Tiny為嵌入式操作系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了對各臺配料皮帶上物料流量的實時調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)各種物料的配比，達到準確配比的目的。同時系統(tǒng)運行過程中各皮帶流量信息和各種參數(shù)通過CAN總線接口與遠程上位機進行實時快速通信，該系統(tǒng)性價比高，工作可靠，具有一定的實用價值和研究意義。

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