称重控制器设计中的DSP实现

         1 引言

　　本设计针对玻璃配料过程中存在的称重精度不高， 自动化程度不高等问题， 采用了高性能数字信号处理器TMS320F2812(F2812)作为核心器件。控制器在设计了友好人机界面的基础上，专门设计了与F2812内置模数转换器相匹配的放大电路，并在A/D 采样过程中加入了采样校准的方法，保证采样数据更加准确;采取数字滤波方法处理采样数据，滤除采样数据中的干扰。

　　2 配料系统工作流程

　　玻璃配料系统一般包括称重控制器、备料斗、计量斗和相关动力装置。备料斗用来存储一定量的待测物料， 备料斗下方的出料口由电振机的驱动， 通过改变电振机的振动速度可以改变备料斗的出料的速度。备料斗下方是计量斗，它是一个放置在称重传感器上的悬浮容器，控制器通过解读传感器的数据得到计量斗内的物料质量。

　　当开始称重过程时， 称重控制器发出控制信号， 备料斗开始快速下料， 物料进入计量斗后， 由计量斗下方的传感器测得重量信号， 信号经处理还原为物料的重量。控制器自动比较当前的物料重量与目标重量的偏差，当偏差值E 缩小到一定范围时(如10%，即达到目标重量的90%)，发出信号并驱动备料斗进行慢速下料，使测得的重量值变化减缓，有利于精确控制。每当控制器发出停止加料信号时，会有一定量的物料刚刚脱离电振机出口正在下落(即“飞料”)，使最终称得的物料重量要大于系统判定的目标重量。一般采取的解决办法是在达到目标值之前提前停止加料， 等待“飞料”落下， 待检测值稳定后，控制器再进行偏差值的判断并进行下一步的控制(即点动加料模式)， 直至重量达到目标值。然后控制器发出信号， 打开计量斗排出称重完毕的物料，完成一次称重控制过程。结合以上工作过程控制器设计如下。

　　3 控制器硬件实现

　　控制器硬件框图由图1 给出， 主要由F2812、信号调理电路、显示/ 键盘模块、串口通信模块组成。F2812作为一款32 位的数字信号处理器， 采用哈佛总线结构，计算能力强，最高运行速度达到150MIPS，能够处理包括称重控制和软件滤波等多种算法;内部包括128KB 的闪存(FLASH)和128KB 的只读存贮器(ROM)，存储空间大可满足大部分程序设计要求;支持45 个外围中断， 响应迅速，方便子程序的快速调用;片上集成了12 位A/D转换器，能够快速地进行模数转换，在系统设计时不必增加额外的硬件;具有两个串行通信接口(SCI)以及一个串行外围接口(SPI)，可简化通讯接口设计，使系统紧凑。

　　
图1 系统硬件框图

　　3.1 信号调理电路

　　信号调理电路主要完成模数转换前的信号的滤波和放大， 由于本设计采取软件滤波， 所以主要考虑信号的放大问题。在现场应用中，以10V 电压激励灵敏度为2mV/V 的称重传感器，其满量程输出信号电压为20mV。F2812 内置A/D 转换器的输入电压为0-3V，所以必须设置放大电路。设计采用由3 个运算放大器组成的仪用放大电路(图2)。电路中左侧两个OP07 组成第一级差分放大电路，右侧OP07 为第二级差分放大， 调节1k Ω可变电阻即可调节电路的增益。经计算要使增益调节达到15 0 倍，需要将可变电阻R 调节到1.33 Ω。采用此种电路输入阻抗高，共模抑制比高。为了防止意外情况下输入电压超过DSP 的工作电压而损坏芯片，在信号输入DSP 引脚之前还需外接一个3V 的稳压管。

　　
图2 放大电路原理图

　　3.2 A/D 转换与采样校准

　　A/D 转换的精度将很大程度上决定称重控制器的精度。本设计采用F2812 自带的模数转换器，这样可以在达到控制器所要求转换精度的基础上简化电路设计。

　　增益误差和偏移误差是影响A/D 转换精度的主要因素。增益误差是指实际传输函数的斜率与理想传输函数的斜率的差别;偏移误差是指输入为零时实际输出与零的偏差。本设计采用了采样校准的方法补偿增益误差和偏移误差。F2812 的一组A/D 转换单元内8 个通道之间的误差典型值小于0.2%，通过采样另外2 个采样通道的已知参考电压H x 、L x ， 得出A / D 转换结果H y 、L y ，再利用求解线形方程组的原理计算出增益误差和偏移误差，然后计算出较精确的转换结果。y 为待校正量， 则校正后的结果x 可由式1 表示:

　　F2812 芯片本身设计有A/D 转换采样校准的参考电压，分别由ADCREFP、ADCREFM 引脚输出，电压分别为2V、1V。使用时外接10 μ F 的低等效串连电阻陶瓷旁路电容到地，可直接使用。但是其电压输出精度有限，所以另外设计了参考电压生成电路[6]，电路示意图如图3 。其中A0、A6、A7 为同一组A/D 转换通道的三个输入脚。A0 为待测模拟信号输入引脚，A6、A7 为已知电压信号的输入引脚。为了尽量减少了数字电路对模拟电路的干扰，本设计在PCB 布局时将ADCINxx 引脚模拟线远和数字信号线分开放置，并将A/D 模块的功率引脚线所连的电源和地与数字电源和地分开放置。

　　
图3 A/D 采样校准参考电源示意图

 

 

3.3 键盘和数码管驱动电路

　　称重控制器的人机交互通过6 位LED 数码管和3 ×4 矩阵键盘实现。3 × 4 矩阵键盘中的10 个键对应数字0 至9，外加一个“确定键”和一个“功能键”。数码管和按键较多会不利于使用软件控制，所以采用数码管驱动及键盘控制芯片CH451 来检测按键和驱动数码管。

　　CH451 是一款集数码管显示驱动、键盘扫描控制于一体的多功能外围芯片， 可以方便地与D S P 组成系统。

　　CH451 通过复用DIGx 和SEGx 引脚，定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。数码管的个数决定需要使用SEG0-SEG7 的8 个引脚和DIG0-5 的6 个引脚。矩阵键盘的结构为3 行4 列，设计使用SEG0-3 这4 个引脚与DIG0-2 这3 个引脚。DCLK、DIN、LOAD 和DOUT管脚连接F2812 对应管脚，具体硬件连接图见图4。

　　
图4 CH451 接口电路

　　为了便于远程监控， 称重控制器设计有串行通信接口[8]。设计利用主控芯片F2812上自带的两个全双工SCI(Serial Communication InteRFace，串行通信接口)完成。

　　RS232 标准定义逻辑“1”信号相对于地为3V 至25V，而逻辑“0”相对于地为- 3V 至- 25V。所以需要一个RS232 驱动器来转换电平，本设计采用MAX3250 芯片。

　　MAX3250 是一款支持3.0v 到5.5v 输入电压的串口通讯芯片， 具有两路串口通信能力。该芯片使用简单，电路连接图便不再给出。