開發(fā)了基于ARM的多功能新型智能稱重儀系統(tǒng)，提出了一種改善系統(tǒng)性能、提高測量精度的補償方法。稱重 儀以嵌入式計算機為核心，利用FPGA強大的邏輯處理，USB接口數(shù)據(jù)通信功能與PC機相連，構(gòu)成了主機/從機系統(tǒng)，通 過在串聯(lián)補償環(huán)節(jié)對傳感器進行動態(tài)補償，解決系統(tǒng)時變非線性強、傳感器動態(tài)品質(zhì)差，縮短整個測量系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)的時 間。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)適合快速測量的要求，有效地提高了精度和可靠性。

0.引言

智能稱重系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用廣泛，市場上 的這些臺稱與平臺稱等小型稱重計量儀表，主要是對靜止的東 西（如貨物）稱重，而對動態(tài)稱重（如動物，家禽）存在功能單一 或者沒有相應(yīng)的功能的問題。在稱重技術(shù)中，應(yīng)用最普遍的 是由應(yīng)變片和彈性體組成的測力傳感器。將重物放于稱重系 統(tǒng)的托架上，待穩(wěn)定后，就可以準確地讀出重量值，但當(dāng)需要進 行快速稱重時，這種傳感器就暴露出缺陷。由于其彈性體的阻 尼比過小，傳感器到達穩(wěn)態(tài)的時間較長，不能滿足快速測量的 要求。稱重信號中包含低頻隨機干擾，且采樣得到的信號太 短，對動態(tài)稱重信號作簡單的數(shù)字濾波，系統(tǒng)的精度難以得到 很大的提高。依據(jù)衡器國家行業(yè)標準，基于嵌入式計算機研制 了新型的多功能智能稱重儀，稱重儀既具有基本稱重功能包括 按鍵皮重功能、皮重內(nèi)鎖功能、自動去皮功能、自動零跟蹤功 能、動態(tài)檢測功能、手動和自動累計功能，又有動物稱重、計數(shù)、 峰值保持和累加等特殊稱重功能。

1.嵌入式稱重儀硬件構(gòu)成

系統(tǒng)由嵌入式計算機、數(shù)據(jù)采集與存儲、信號處理、PWM 脈寬調(diào)制、人機接口和USB接口通信等電路部分組成，如圖1 所示。硬件電路由ARM作為系統(tǒng)的控制中心，完成多路信息 的實時采集，對實時采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波校正、分時存儲，完成對數(shù)字信號運算、顯示、傳輸?shù)裙δ埽梢酝ㄟ^對擴展電路 的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤散轉(zhuǎn)程序，對整個系統(tǒng) 進行控制。信號采集部分利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到 微弱的電壓信號，而后經(jīng)處理電路（濾波、差動放大）以及PWM 脈寬調(diào)制處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。通過USB 接口與上位機通訊，可根據(jù)主機PC發(fā)送的控制參數(shù)，對被測對 象的壓力參數(shù)進行控制調(diào)節(jié)，進一步完成人機交互界面的管 理、圖形功能、參數(shù)設(shè)定及自診斷。

嵌入式硬件是嵌入式32位處理器StrongARM * SA - 1110，軟件平臺采用Windows CE。Platform Builder是為嵌入系 統(tǒng)設(shè)備開發(fā)和定制基于Windows CE的操作系統(tǒng)的工具。在創(chuàng) 建基本平臺的過程中主要包括配置平臺、創(chuàng)建操作系統(tǒng)映像、 傳輸映像到目標設(shè)備和調(diào)試系統(tǒng)，而在定制平臺的過程中主要 有開發(fā)用戶自己的OAL (OEM Adoption Layer)、設(shè)備驅(qū)動程序、 引導(dǎo)裝載程序、組件、本地化等。

2.主要電路設(shè)計

2.1數(shù)據(jù)采集電路

采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器PWC318N，用模擬開關(guān)、積分器、 比較器等構(gòu)成S - A型調(diào)制器，轉(zhuǎn)換速率可達200次/s，與控制 器結(jié)合PWC318實現(xiàn)對調(diào)制器脈沖信號進行數(shù)字抽取濾波，非 常適用于高精度電子天平和電子秤等場合。通過連接外部晶 體振蕩器，PWC318的內(nèi)部時鐘發(fā)生器產(chǎn)生時鐘頻率信號 TCLK，脈寬控制器接受比較器的輸出X - A碼，同步到PWC318 的內(nèi)部時鐘信號，產(chǎn)生脈寬輸出信號。脈寬輸出信號控制模擬 開關(guān)，當(dāng)為“0 ”時，接通-VREF，當(dāng)為“1 ”時，接通+ VREF。 PWC318通過內(nèi)部16位計數(shù)器來計數(shù)脈寬輸出信號為高電平 時的脈沖數(shù)，將結(jié)果進行迭加后，通過向控制器發(fā)中斷請求，控 制器讀計數(shù)值，實現(xiàn)對2N個采樣值迭加后取平均值的數(shù)字濾 波，數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。

2.2人機接口電路

稱重儀需要實現(xiàn)輸出各種結(jié)果顯示，采用AG320240大屏 點陣圖形液晶顯示模塊。控制器中使用了 512 K字節(jié)的存儲 器，存儲了系統(tǒng)需要的16x16點陣漢字字庫、界面顯示背景圖 等。由于液晶顯示器內(nèi)置了 SED1335控制器，對液晶顯示器的的控制。稱重系統(tǒng)中設(shè)有多個功能鍵，鍵盤采用矩陣形式排列，按鍵設(shè)置在行列式交點上，通過鍵盤向裝置系統(tǒng)輸入相關(guān)參數(shù)和控制命令。

2.3信號處理與PWM電路

傳感器是稱重系統(tǒng)中實際承壓值測量的關(guān)鍵元件，稱重傳感器采用了應(yīng)變片壓力傳感器，輸出的信號通過濾波電路后送給差動放大器。采用PWM脈寬調(diào)制電路，實現(xiàn)對小信號的自動控制補償，提高了電路的線性和穩(wěn)定性。信號處理與PWM電路如圖3所示。

3.稱重儀的動態(tài)補償

荷重系統(tǒng)經(jīng)過簡化可以看成單自由度二階系統(tǒng)，測重環(huán)節(jié) 中的應(yīng)變式測重傳感器加秤體構(gòu)成測重部分，可以等效為由彈 簧、阻尼器組成M，系統(tǒng)等效模型如圖4所示。

式中：m為秤體質(zhì)量，由傳感器本身的等效質(zhì)量和托盤質(zhì)量組 成;M(t)為被測質(zhì)量;C為阻尼比例系數(shù);K為剛度系數(shù);x為在 垂直方向偏離平衡點的位移;F( t)為垂直方向作用力。

采用分段線性化法將模型近似為線性時不變系統(tǒng)，建立系 統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。因為應(yīng)變與應(yīng)力呈正比，而電橋輸出電壓U與 應(yīng)變呈正比關(guān)系。設(shè)在一個時間段[t。to +Δt]內(nèi)，式（1)可以 簡化為一個線性時不變系統(tǒng)，把F看作是Mg的一部分，即G = Mg + F。設(shè)各種初始條件為零，K。為靈敏系數(shù)，對式（1)做拉普 拉斯變換得：

當(dāng)秤體空載時，敲擊秤臺產(chǎn)生沖擊激勵信號，獲得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，從而得到系統(tǒng)模型，其階躍響應(yīng)如文獻。荷重系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)較差，由于阻尼非常小，振蕩嚴重，采集的信號不能反映真實的測量值，同時阻尼過小，動態(tài)響應(yīng)過程到達穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時間長，測重系統(tǒng)的快速性得不到保證。采用動態(tài)數(shù)字補償處理改變系統(tǒng)阻尼系數(shù)，在系統(tǒng)中增加串聯(lián)補償環(huán)節(jié)必須盡可能提高系統(tǒng)輸出動態(tài)品質(zhì)，即盡可能增加％，達到最佳值0.707左右。系統(tǒng)輸出由尤(s)轉(zhuǎn)化為y (s)，即Y(s) = X(s) H(s)，且使Y(s)的會達到0.707，不變。設(shè)數(shù)字

補償環(huán)節(jié)H (s)的零點為X(s)的極點，數(shù)字補償環(huán)節(jié)H(s)的

極點為打s)的極點，并將s域變換到z域，作雙線性變換有[]:

 敲擊實驗獲得實驗過渡過程曲線，由文獻[2]中的公式計 算值，其階躍響應(yīng)如圖6(a)所示，傳感器在最終輸出穩(wěn)定 值之前，穩(wěn)定輸出需要0.55 s.

對自適應(yīng)補償進行仿真驗證，考慮模型存在誤差情況下的 自適應(yīng)補償效果。因此，將系統(tǒng)的固有頻率％減小，此時，自 適應(yīng)補償環(huán)節(jié)的零點與模型極點不能完全抵消。得到自適應(yīng) 補償前后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性，如圖6 (b)所示。系統(tǒng)的動態(tài) 響應(yīng)特性得到顯著改善，系統(tǒng)階躍響應(yīng)達到97%穩(wěn)態(tài)輸出的穩(wěn) 定時間為0.6 s，小于沒有補償0.55 s，在存在系統(tǒng)誤差的情況 下，能很好地提高動態(tài)測重的速度。

4.試驗與分析

針對稱重儀進行了普通稱重方式、計數(shù)稱重方式、峰值稱 重方式和動物稱重方式的試驗。普通稱重方式、計數(shù)稱重方 式、峰值稱重方式用砝碼作為稱重對象，每種方式下測試10 次，經(jīng)傳感器校準，數(shù)字濾波和非線性補償后，每隔10 mm讀 次稱重顯示，普通稱重測量誤差小于0. 25%，峰值稱重和計數(shù) 稱重測量誤差都小于0.4%，動物稱重誤差小于0. 84%，稱重精 度達到設(shè)計的要求，穩(wěn)定可靠，測試結(jié)果如表1、表2、表3和表 4所示。

5.結(jié)束語

基于嵌入式計算機，并用USB接口，根據(jù)需求搭建了硬件 平臺，對傳感器進行補償，使得傳感器的振蕩得以有效抑制，提 高了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，經(jīng)過數(shù)字濾波等軟件處理，實現(xiàn)普通 稱重方式和特殊稱重方式。多功能便攜式智能稱重系統(tǒng)具有 良好的可靠性、準確性和抗干擾能力，處理速度和測量精度提 高，滿足了稱重的實時性要求，取得了良好的效果。