開發了基于ARM的多功能新型智能稱重儀系統，提出了一種改善系統性能、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接口數據通信功能與PC機相連，構成了主機/從機系統，通 過在串聯補償環節對傳感器進行動態補償，解決系統時變非線性強、傳感器動態品質差，縮短整個測量系統到達穩態的時 間。試驗結果表明：該系統適合快速測量的要求，有效地提高了精度和可靠性。

0.引言

智能稱重系統在工業生產和日常生活中應用廣泛，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，而對動態稱重（如動物，家禽）存在功能單一 或者沒有相應的功能的問題。在稱重技術中，應用最普遍的 是由應變片和彈性體組成的測力傳感器。將重物放于稱重系 統的托架上，待穩定后，就可以準確地讀出重量值，但當需要進 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，傳感器到達穩態的時間較長，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，對動態稱重信號作簡單的數字濾波，系統的精度難以得到 很大的提高。依據衡器國家行業標準，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、皮重內鎖功能、自動去皮功能、自動零跟蹤功 能、動態檢測功能、手動和自動累計功能，又有動物稱重、計數、 峰值保持和累加等特殊稱重功能。

1.嵌入式稱重儀硬件構成

系統由嵌入式計算機、數據采集與存儲、信號處理、PWM 脈寬調制、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作為系統的控制中心，完成多路信息 的實時采集，對實時采集的數據進行數字濾波校正、分時存儲，完成對數字信號運算、顯示、傳輸等功能，可以通過對擴展電路 的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤散轉程序，對整個系統 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，而后經處理電路（濾波、差動放大）以及PWM 脈寬調制處理后，送A/D轉換器轉化為數字量輸出。通過USB 接口與上位機通訊，可根據主機PC發送的控制參數，對被測對 象的壓力參數進行控制調節，進一步完成人機交互界面的管 理、圖形功能、參數設定及自診斷。

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 統設備開發和定制基于Windows CE的操作系統的工具。在創 建基本平臺的過程中主要包括配置平臺、創建操作系統映像、 傳輸映像到目標設備和調試系統，而在定制平臺的過程中主要 有開發用戶自己的OAL (OEM Adoption Layer)、設備驅動程序、 引導裝載程序、組件、本地化等。

2.主要電路設計

2.1數據采集電路

采用高精度A/D轉換器PWC318N，用模擬開關、積分器、 比較器等構成S - A型調制器，轉換速率可達200次/s，與控制 器結合PWC318實現對調制器脈沖信號進行數字抽取濾波，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的內部時鐘發生器產生時鐘頻率信號 TCLK，脈寬控制器接受比較器的輸出X - A碼，同步到PWC318 的內部時鐘信號，產生脈寬輸出信號。脈寬輸出信號控制模擬 開關，當為“0 ”時，接通-VREF，當為“1 ”時，接通+ VREF。 PWC318通過內部16位計數器來計數脈寬輸出信號為高電平 時的脈沖數，將結果進行迭加后，通過向控制器發中斷請求，控 制器讀計數值，實現對2N個采樣值迭加后取平均值的數字濾 波，數據采集電路如圖2所示。

2.2人機接口電路

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

2.3信號處理與PWM電路

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

3.稱重儀的動態補償

荷重系統經過簡化可以看成單自由度二階系統，測重環節 中的應變式測重傳感器加秤體構成測重部分，可以等效為由彈 簧、阻尼器組成M，系統等效模型如圖4所示。

式中：m為秤體質量，由傳感器本身的等效質量和托盤質量組 成;M(t)為被測質量;C為阻尼比例系數;K為剛度系數;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，建立系 統的數學模型。因為應變與應力呈正比，而電橋輸出電壓U與 應變呈正比關系。設在一個時間段[t。to +Δt]內，式（1)可以 簡化為一個線性時不變系統，把F看作是Mg的一部分，即G = Mg + F。設各種初始條件為零，K。為靈敏系數，對式（1)做拉普 拉斯變換得：

當秤體空載時，敲擊秤臺產生沖擊激勵信號，獲得系統的沖擊響應，從而得到系統模型，其階躍響應如文獻。荷重系統的動態響應品質較差，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，動態響應過程到達穩態的調節時間長，測重系統的快速性得不到保證。采用動態數字補償處理改變系統阻尼系數，在系統中增加串聯補償環節必須盡可能提高系統輸出動態品質，即盡可能增加％，達到最佳值0.707左右。系統輸出由尤(s)轉化為y (s)，即Y(s) = X(s) H(s)，且使Y(s)的會達到0.707，不變。設數字

補償環節H (s)的零點為X(s)的極點，數字補償環節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，其階躍響應如圖6(a)所示，傳感器在最終輸出穩定 值之前，穩定輸出需要0.55 s.

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

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，經傳感器校準，數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 稱重測量誤差都小于0.4%，動物稱重誤差小于0. 84%，稱重精 度達到設計的要求，穩定可靠，測試結果如表1、表2、表3和表 4所示。

5.結束語

基于嵌入式計算機，并用USB接口，根據需求搭建了硬件 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 高了系統響應的快速性，經過數字濾波等軟件處理，實現普通 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。