1引言
稱重控製儀表是一種實時測量物料重量並根據重量自動發出控製信號的智能儀器，廣泛應用於包裝、罐裝等工藝流程中。市場上高性能、功能完備的稱重控製儀表也比較常見⑵。但是單個儀表在控製速度上已基本達到了極限，在大批量包裝、罐裝任務中需要多台機器結合,且各台機器設置參數不一,控製結果參差不齊。因此，設計一種多通道同步采樣控製的儀表不僅可以提高機器的集成度和控製結果的統一性，而且可以成倍地提高工作效率，減少人力勞動。
2儀表的工作原理
物料包裝、罐裝係統主要由儲料器、高低速出料口、稱重平台機構和稱重控製儀表組成。稱重控製儀表作為控製核心，通過稱重平台實時測量平台的重量,判斷平台重量是否與設定皮重值相等,如果相等則判斷包裝或罐裝的外包裝已就緒，然後開始通過高低速出料口往外包裝快速填充物料,當物料填充到指定重量則切換到低速填充直到和目標重量-提前量相等，當留在空中的物料完全落入包裝後，和目標重量相等。6通道稱重控製儀表是把6個這樣的機構同時控製達到提高效率和集成度的效果。
3硬件設計
儀表的硬件框圖如圖1所示，儀表的硬件按照功能分為電源模塊、STM32嵌入式模塊、ADC同步采樣模塊、通信模塊和IO模塊。由於稱重儀表應
用在各種幹擾均存在工業的環境中，因此各個模塊間的信號和電源均采用隔離方式連接，一方麵可以減少模塊間的串擾，另一方麵可以在某一模塊因外部異常受到衝擊時，避免對其他部分造成影響而達到保護其他模塊的目的⑶。儀表的主控芯片為STM32F103ZET6,與LCD12864、矩陣鍵盤、外部非易失性存儲器組成嵌入式單元模塊。通過LCD12864、矩陣鍵盤、外部非易失性存儲器作為基本參數的設置和存儲。因為6通道稱重控製儀表需要顯示的內容和參數較單通道的儀表要多得多，所以采用常用的LED或LCD12864已經達不到操作簡單的目的。因此，功能參數通過通信模塊與10寸MCGS工業觸摸屏進行人機交互。用於稱重
的6個稱重傳感器分別與各通道獨立的CS5532芯片連接。CPU實時讀取傳感器的重量信號，並通過數字濾波⑷、工程單位變換、狀態檢測後，一方麵把儀表的工作狀態和各通道實時重量實時顯示到MCGS觸摸屏上，另一方麵通過重量比對、動作判物料的定量控製。
3.1電源模塊設計
電源模塊電路如圖2所示。采用24V直流電源進行供電，減小儀表的體積和減少電源的發熱量。通過MP2303同步降壓電路後，得到12V左右的穩定電壓，再使用IR2085S和FDS8689組成半橋式電子變壓器的驅動。式(1)為半橋式變壓器次/初級匝數比計算公式。由半橋式變壓器匝數比計算公式可知，在通過變壓器後整流得到各路相對比較穩定的電壓5。再經線性穩壓器進一步調整，得到滿足係統工作的穩定電壓。

3.2STM32嵌入式模塊
由於該儀表相當於6個單通道的稱重控製儀表，所以在主控製器方麵要求相對比較高。於是選用意法半導體公司的STM32F103ZET6芯片。該芯片為32二方數據TM-M3ARM處理器在0等待內存訪問時具備1.25DMIPS/MHz(Dhrystone2.1)的計算能力，還具備單周期乘法器和硬件除法器，最高時鍾達到72MHz，有512KB程序空間和64KB數據空間⑹，各方麵指標均是文獻［2］設計采用的W77E58性能的好幾倍，所以基本能夠滿足設計需求。在人機接口方麵，采用矩陣鍵盤和LCD12864。LCD12864選用ST7290為主控圖形液晶，采用串行
方式與ARM處理器USART3連接，以方便采用USART3的同步方式直接與LCD12864通信。但是由於LCD12864顯示有限，所以此人機接口僅作為基本參數的配置使用。如通信波特率，Modbus地址等。由於STM32沒有內部EEPROM，但是稱重儀表需要掉電保存諸如校準參數、通信參數等數據，因此需要外加非易失性存儲器。於是選用SPI接口的鐵電存儲芯片FM25CL64,該芯片容量為8KB，采用SPI通信接口，通信時鍾達到20MHz，大量減少了參數讀寫的時間，使CPU能夠及時處理稱重數據。
3.3ADC同步采用模塊
儀表需要采集6通道稱重信號，如果6片CS5532采用異步采樣方式，那麽有可能打斷CPU正在處理其他通道的數據，造成控製異常。所以該模塊考慮使用同步方式進行轉換。此時,6個通道轉換的開始時間和完成時間是完全同步的，所以在檢測到轉換完成時，可以安排在同一時間間隙內按順序讀出AD數據。圖3為ADC同步采樣模塊電路圖。由電路圖可見6片IC的SCK、SDO、SDI、MCLK是共用的，其中MCLK為CS5532的係統時鍾，MCLK共用配合控製指令控製6片IC同時開始轉換以達到同步轉換的目的⑺。采用2mv/V的稱重傳感器在激勵電壓為5V時，滿量程輸出為10mV。CS5532內部PGA最大放大倍數為64倍，放大後的滿量程電壓為640mV。如果采用激勵電壓5V作為CS5532的參考電壓，則滿量程時24位AD的量程利用率640mV/5V=12.8%。因此把5V激勵電壓通過R1.R2.R3分壓後得到CS5532參考電壓的最低允許值1VO24位AD的量程利用率提高至640mV/1V=64%，並且有36%的餘量防止輸入電壓過高損壞芯片。

3.4通信模塊
儀表的通信模塊使用RS232電路和RS485電路。RS232和RS485均使用ModbusRTU協議進行通信，但是設備地址、通訊波特率均獨立並可以同時工作。在工業係統中RS232電路主要用於點對點通信。在本儀表中用於連接觸摸屏。RS485可以多機通信，主要用於工控係統組網。使用AD-UM1402磁耦把CPU和通信電路隔離，減少CPU和通信電，並能在通信線路上電壓出現異常時有效保護CPU電路。通信電平轉換芯片分別采用常見的MAX232和MAX485o在信號連接端加入自恢複保險和瞬態抑製二極管作為外部高壓的串入保護⑻。
3.5IO模塊
由於IO模塊的輸出部分主要用於驅動電磁閥，所以采用TLP281光耦進行隔離，ULN2803達林頓管陣列作為線圈驅動芯片並采用外部電源供電方式減少儀表內部的體積和功耗。輸入部分也采
用TLP281作為隔離IC,外接傳感器應選為PNP輸出型。輸入輸出部分示意電路圖如圖4所示。

圖4輸入輸出部分電路圖
4軟件設計
係統軟件設計包括STM32嵌入式軟件設計和MCGS人機界麵軟件設計。STM32嵌入式軟件主要負責實時數據處理和實時控製。MCGS人機界麵軟件主要負責係統參數配置、人機交互圖形設計和一些非實時的數據處理和控製。這樣處理使得STM32處理事務方麵更專注，在控製精度方麵能得到更好的效果，程序編寫也更簡潔。
4.1嵌入式軟件設計
STM32程序的主要任務有:稱重信號采集和處理，輸入輸出控製，2個串口的modbusRTU通信。其中稱重號采集處理，輸入輸出控製，modbusRTU通信對實時性要求都比較高，如果處理不好可能出現程序混亂控製不準確的問題。因此在處理這些信號時需要格外小心。在本儀表中處理方案如下:使用外中斷偵測ADC轉換完成,把ADC數據讀取中斷置於最高優先級，把串口接收中斷位於次優先級，串口數據發送使用DMA方式。在ADC完成中斷服務程序中同時進行端口輸入讀取和端口輸出更新操作，保證端口更新時間間隔一致，不受其他中斷影響。
儀表的主函數流程圖如圖5(a)所示，首先初始化芯片端口，然後從鐵電存儲器讀取保存的參數,根據讀取到的參數配置串口.ModbusRTU地址、稱重校準參數和一些必要的其他參數。最後在循環中掃描鍵盤，更新LCD顯示和後台數據處理。
AD轉換結束中斷處理具有最高優先等級，實時性最高。其流程圖如圖5(b),當AD轉換結束時，數據輸出引腳由高變低產生數據下降沿，觸發AD轉換結束中斷，於是STM32讀取第一片CS5532的AD數據，然後選擇另一片CS5532讀取AD數據,按順序讀取完6個通道的數據後，對端口的輸入輸出進行更新。因為讀取AD數據時沒有條件跳轉語句，所以從中斷到讀取數據完成的時間是固定的。又由於AD轉換完成的頻率固定為240Hz，所以端口的更新也嚴格為240Hz。端口更新後再對AD數據進行滑動平均數字濾波9。然後進行工程單位轉換，通過一定時間內的重量信號分析判斷傳感器是否處於穩定狀態，為後續稱重流程控製提供控製信號。然後進行稱重流程控製比對並改變輸出標誌位,為下一次端口更新做準備。最後中斷返回。
ModbusRTU®采用3.5T時間間隔作為幀間識別,所以在使用時需要一個定時間計算3.5T溢出時間。數據接收使用中斷方式。流程圖如圖5(c)所示，當串口接收到數據時，進入中斷,把數據讀出放到幀緩衝區,如果為幀第一個數據則啟動定時器,否則清零定時器防止3.5T超時溢出中斷。直到一個幀接收結束，ModbusRTU主機在3.5T時間內不再發送數據,3.5T定時器沒有清零，直到溢出，執行3.5T定時器溢出中斷程序，流程圖如圖5(d)。當3.5T中斷時，說明完成1幀數據接收，首先進行CRC校驗，如果校驗正確則進行地址校驗,否則拋棄錯誤幀中斷返回。地址校驗正確則根據指令對內部數據進行讀寫,最後使用DMA方式返回數據到主機以減少發送中斷對CPU的占用。如果地址校驗錯誤則放棄數據處理，中斷返回。

4.2MCGS軟件設計
MCGS嵌入版是專門應用於嵌入式計算機監控係統的組態軟件，通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控製和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用[11]0軟件開發采用MC-GSE組態環境。設備組態選擇莫迪康ModbusRTU作為與本儀表的通訊設備。在通道連接中每個變量使用32位有符號變量或32位無符號變量。每個變量與STM32中的變量——對應。這樣MCGS在數據變化時自動與STM32傳輸，數據不變時定時讀取STM32中的數據。在用戶窗口中添加相關的交互窗口並設計，做好控件後與對應變量連接。就可以與下位機交互通信了。該儀表的主控製界麵如圖6所示。通過使用MCGS觸摸屏人機界麵簡化STM32人機交互程序的編寫，同時通過修改MC-GSE組態環境根據客戶需求修改界麵簡單快捷，通用性較好。

圖6主控製界麵

5測試與結論
使用橋式稱重傳感器型號為MT1022,量程10kg的傳感器。表1數據為對稱重儀表進行校準後放入不同質量的砝碼對儀表的準確性進行檢測。從表中可看出儀表在整個量程範圍內準確度非常高。

表2為灌裝320g油漆規格數據。測量步驟為：設定目標值為淨重320g，提前量50g，放上罐，通過“置皮”功能設定皮重，開始一次灌裝，得到實際淨重與目標值淨重的差值，通過儀表的提前量計算功能調整提前量設定。然後進行10次灌裝試驗並記
錄。通過表格數據可見，儀表的灌裝控製精度在土2g範圍內，達到了廠方的要求。

6結語
6通道控製儀表在控製數量上提高了6倍，解決了單/雙通道儀表同時控製通道少的問題。控製數量增加，操作也較簡單，一致性好，總體速度更快，效率更高。

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