0 引言
    電子膠帶秤是安裝在膠帶輸送機的適當位置上, 對散裝物料自動、動態、連續地累計稱量的計量器具。它廣泛應用於散料貿易結算、生產工藝流程中的配料計量及檢測控製。
    膠帶秤控製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 轉換, 瞬時K8凯发登录入口計算和累計及顯示、參數設定、校秤程序, 對於配料秤還包括PID 動態調節部分和變頻器控製接口。因此, 對其進行優化設計是非常重要的。
    1 速度測量
    目前在以光電編碼器構成的測速係統中, 常用的數字式轉速測量方法有三種: 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, 根據測量所產生的轉速脈衝信號個數來確定轉速; T 法是根據測量相鄰兩個轉速脈衝信號的時間來確定轉速; M/ T 法是根據同時測量檢測時間和在該時間內的轉速脈衝信號個數來確定轉速, 能實現很寬的速度範圍內等精度的速度測量。筆者所設計的控製儀表中轉速測量采用M/ T 法。專門介紹和分析M/ T 法原理的文章很多, 這裏隻作簡單介紹, 著重介紹一下具體電路的實現。轉速測量電路的實現, 可以采用單片機, 但是實現M/ T 法測速, 要占用3 路計數器, 而單片機片內資源有限; 再者為了減少測速時間, 應提高標準時鍾脈衝頻率, 這又受到了單片機最高計數頻率的限製。所以采用CPLD 器件和單片機共同組成測速模塊。轉速測量電路主要由以下3 部分組成:
    ( 1) 信號整形電路: 用於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器件擔任;
    ( 3) 單片機電路模塊: 用於控製CPLD 的測頻操作和速度的計算, 單片機的P0 口直接讀取測試數據, P2 口向CPLD 發控製命令。
    等精度測速的實現方法可以簡單地用圖1 和圖2來說明。圖1 中, 預置門信號TSET 由單片機發出, T SET 的時間寬度對測量精度的影響較小, 這裏設其寬度為T pr。FS 是標準頻率信號輸入端, FX是測速碼盤脈衝信號的輸入端, 這2 路信號分別輸入到2 個可控的16 位高速計數器中。計數器的計數允許端ENA 高電平有效, 設標準信號頻率為Fs ,測速信號的頻率為Fx 。
    測速開始前, 先發出一個清零信號CLR, 將2 個計數器和D 觸發器置0, 然後由單片機發出允許測頻的命令, 即令預置門信號T SET 為高電平( 將圖1和圖2 聯係起來看) , 這時D 觸發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 端變為高電平) , 與此同時, 將同時啟動2 個計數器開始計數。

    在此期間, 2個計數器分別但同時對被測速度信號( 頻率為Fx ) 和標準頻率信號( 頻率為Fs ) 計數。當時間到T pr 後, 預置門信號T SET 被單片機置為低電平, 但此時2 個計數器仍沒有停止計數, 一直等到隨後而至的被測速度信號的脈衝上升沿到來時,才通過D 觸發器將這2 個計數器同時關閉。由圖2可見, TSET 信號的寬度和發生的時間都不會影響計數使能信號START, 允許計數的周期總是恰好等於被測速度信號Fx 的完整周期數, 這是確保Fx在任何頻率條件下都能保持恒定精度的關鍵。而且, T SET 寬度的改變以及隨機出現的時間造成的誤差最多隻有Fs 信號的1 個周期, 如果Fs 由精確穩定的晶體振蕩器( 10 MHz) 發出, 則任何時刻的絕對測量誤差隻有10- 7 s。
    設在1 次預置門時間Tpr 中, 被測速度信號計數值為N x , 標準信號的計數值為N s , 則有:
     Fx / N x = F s/ Ns                     ( 1)
     測得的轉速頻率為
    Fx = (Fs / N s ) × Nx                 ( 2)
     測速輪轉速為
    n = Fx / P                                      ( 3)
     式中: P 為測速光電編碼器1 周的脈衝數。將轉速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。
    最後通過控製SEL 選擇信號和32 位到8 位的多路轉換器MAX32- 8( 見圖1) , 將2 個計數器中的2 個16 位的計數值分4 次讀入單片機, 再按( 4) 式計算出帶速。
    用1 片ALT RA 的CPLD 電路EPS7064, 在片內設置2 個相同的獨立16 位計數器( COU NT0、COUNT 1) 。每個計數器都有自己的時鍾輸入CLK、計數器輸出OUT 和門控信號GAT E, 通過編程設置工作方式。當GATE 端為高電平時, 允許計數; 當GATE 端為低電平時, 禁止計數。采用MAXPLU S II EDA 開發平台, 利用其功能元件庫中的計數器IP 模塊, 編程方便。這種方案的優點是可以減輕CPU 的負擔, 減少對CPU 內部資源的占用。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檢測。由於膠帶秤一般處於長期連續的工作狀態, 在信號的放大、A/ D 轉換通道設計中, 穩定性和抗幹擾性能是首先要考慮的問題。因此, 放大電路選用了自穩零斬波放大器ICL7650。這裏著重討論膠帶秤儀表中A/ D 轉換的實現。基於穩定性的考慮, 選用V/ F 電壓/ 頻率轉換器來實現A/ D 轉換, 並對其常規用法作了改進。本設計選用V/ F 轉換器中高性能芯片AD652。該芯片采用外部時鍾控製, 消除了內部時鍾方式中阻容器件的穩定性對精度的影響。該芯片的最高輸出頻率可達2 MHz,非線性誤差僅為0. 002% 。
    用V/ F 轉換器實現的A/ D 轉換可以達到非常高的分辨率, 但這是以犧牲時間為代價的。可估算一下, 如采用1 M 輸出的V/ F 轉換器, 就是1 s 輸出1 000 K 計數值, 1 ms 輸出1 K 計數值, 近似於10 位A/ D 轉換值。10 ms 輸出10 K 計數值, 50 ms輸出為50 K 計數, 接近16 位A/ D 轉換值: 65 535。由此看出要提高A/ D 的轉換速率, 隻有提高V/ F轉換器的頻率輸出值。提高輸出頻率又帶來了新的問題, 用V/ F 轉換器完成A/ D 轉換, 需要1 個定時器和1 個計數器, 計數器的計數頻率限製了V/ F 器件輸出頻率的提高。如果采用51 係列單片機內部的計數器, 計數器的最高計數頻率為單片機工作頻率的1/ 24, 如采用12 MHz 的晶振, 它的最高計數頻率隻能達到0. 5 M, 所以采用CPLD 器件組成高速計數器, 對AD652 輸出的1 M 脈衝進行計數。AD652 的最高輸出頻率可達2 M, 選用1 M 的頻率是出於對V/ F 輸出線性的考慮。
    上麵分析了提高A/ D 轉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, 即直接采用和測速環節相同的硬件邏輯, 將測速信號換成V/ F 轉換器AD652 的輸出脈衝信號, 在數據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。這樣在保證轉換精度的前提下, 使由V/ F 變換器組成的A/ D 轉換器的轉換速度得以提高。如采用10 MHz 的高精度晶振作為標準頻率源, 測量周期Tpr 設定為10 ms, 也就是A/ D 轉換的時間, 完成16 位的A/ D 轉換, 絕對測量頻率誤差隻有10- 7 s, 而轉換速度比傳統的算法提高了5 倍。3 輸出通道設計
    電子膠帶秤在工業現場應用時, 往往作為測控係統或配料係統的一部分。這就要求控製儀表不但要有顯示輸出, 還要由和其它係統相連接的數字量和模擬量輸出接口。電子膠帶秤控製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。對於配料秤, 要將PID 調節器的輸出控製信號傳輸到膠帶驅動電動機的變頻器, 以控製膠帶的瞬時K8凯发登录入口跟隨設定值; 對於計量秤, 要輸出和K8凯发登录入口成線性關係的電流模擬信號, 作為其它控製設備的輸入控製信號。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, 由於采用了以CPU 為核心的數字化處理技術, 儀表的輸出通道要完成數字量到模擬量的轉換。為了滿足可靠性的要求, 輸出通道要采用隔離技術, 以防止現場的幹擾信號汙染到儀表。盡管DAC 和電壓電流變送技術早已廣泛地應用在儀表中, 但隨著IC 技術的發展, 各種新的、更有特色的專用IC 芯片的出現, 使輸出通道的性能得到了進一步的提高, 而成本得到了降低, 同時給設計提供了更多的方便性和靈活性。如近年來串行ADC 和DAC 越來越多地應用於計算機測控係統的控製和數據采集中, 這種芯片將傳統的CPU 數據總線連接減少到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 的連接隻需3 根口線, 其中的數據線和時鍾線還可和其它同類型接口芯片共用, 隻用3 個數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, 最大串行時鍾頻率為14 MHz, 數字更新頻率為877 kHz。
    AD 694是單片大信號輸入電壓/ 電流變換器。

    電流輸出可以設置成標準的4~ 20 mA 環路電流,其輸入可通過對管腳的不同連接來實現0~ 2 V、0~ 10 V等範圍的變換。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, 不須調試就可達到很高的精度。
    4儀表結構的優化
    電子膠帶秤往往作為計量或配比控製係統中的一個組成部分, 安裝在工業現場, 而膠帶秤控製儀表一般要安裝在集中控製室中。兩者之間的距離近則數十米, 遠則數百米。因此, 傳感器和控製信號的傳輸是必須要考慮的一個問題。
    傳統的方法是采用電流環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, 每台膠帶秤需要遠距離傳送的信號線路為3 對。而筆者設計的儀表采用分體式結構, 將儀表的測量控製部分和人機界麵分開, 將儀表的控製部分放在現場的秤體旁邊, 做成一個密閉的機箱, 這部分除了沒有人機操作界麵外, 是一個完整的可以獨立工作的膠帶秤控製係統。它的計量數值通過RS485 數字通信接口遠傳到集中控製室內的儀表或計算機, 現場隻完成數據的顯示和膠帶秤工作參數的設定。這種方案即使有十幾台電子膠帶秤, 遠傳信號線也隻有1 對, 傳送距離比電流環方式更遠, 也簡化了設計、降低了成本, 便於維護。
    5 結語
    以上介紹的膠帶秤控製儀表的優化設計方法,均已在實際設計中采用, 並取得了良好的效果。

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