基于ADuC845的嵌入式配料稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李牡丹 ，李麗宏，雷張偉

LI Mu-dan1, LI Li-hong2, LEI Zhang-wei3

（1.華北電力大學(xué) 科技學(xué)院 動(dòng)力系，保定 071051；2.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院 自動(dòng)化系，太原 030021；3.中國人民解放軍66382部隊(duì)，保定 074100）

0 引言

以單片機(jī)為核心技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)，已經(jīng)在工業(yè)過程控制中得到了廣泛應(yīng)用。這些系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器(CPU)、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及特定的應(yīng)用程序組成，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制、檢測(cè)或管理等功能。配料秤作為一種動(dòng)態(tài)控制型衡器，廣泛應(yīng)用于冶金、煤炭、化工、建材等行業(yè)的物料配料中。它不僅要指示皮帶輸送機(jī)上所輸送物料的流量，而且還要根據(jù)輸送機(jī)上物料的流量和設(shè)定值的偏差去調(diào)整流量的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)各種物料的配比，達(dá)到準(zhǔn)確配比的目的[1]。本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式配料稱重系統(tǒng)，以具有CAN總線接口的稱重儀表為核心，以各配料皮帶上物料流量為被控對(duì)象，通過嵌入式操作系統(tǒng)RTX51 Tiny，將應(yīng)用程序分解為幾個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，從而使設(shè)計(jì)開發(fā)流程大大簡(jiǎn)化。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

嵌入式配料稱重系統(tǒng)由上位機(jī)、調(diào)速電機(jī)、配料皮帶秤、稱重儀表、CAN總線接口等部分組成[2]。當(dāng)各配料皮帶以一定的速度運(yùn)行時(shí)，由各自稱重傳感器測(cè)得的重量信號(hào)和由測(cè)速傳感器測(cè)得的速度信號(hào)進(jìn)入各稱重儀表，儀表對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)換為物料的瞬時(shí)流量和累計(jì)量。同時(shí)儀表對(duì)瞬時(shí)流量與設(shè)定流量進(jìn)行比較，經(jīng)控制算法運(yùn)算后，輸出4～20mA電流信號(hào)，將其送到調(diào)速電機(jī)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)給料設(shè)備的給料速度，以穩(wěn)定物料流量從而達(dá)到準(zhǔn)確配料的目的[2]。CAN總線接口集成在稱重儀表中，上位機(jī)通過CAN總線和各臺(tái)稱重儀表進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)整等功能。嵌入式配料稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 稱重儀表硬件設(shè)計(jì)

具有CAN總線接口的稱重儀表是本系統(tǒng)的核心部分，設(shè)計(jì)中選用ADI公司的內(nèi)嵌大容量閃存的ADuC845作為微處理器，它的內(nèi)部有2個(gè)10通道的24位∑－△A/D轉(zhuǎn)換器，雙12位電壓輸出DAC和UART、I2C、SPI串行接口。

2.1 重量信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

圖1 嵌入式配料稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 重量信號(hào)采集電路圖

本配料稱重系統(tǒng)中，各配料皮帶采用電阻應(yīng)變片式稱重傳感器，將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為mV級(jí)脈動(dòng)電壓信號(hào)，該信號(hào)含有各種高頻噪聲，經(jīng)過濾波處理，即可濾去無用信號(hào)。在此采用了串聯(lián)RC濾波，其中電阻R=10k，電容C選0.01uF，大于1000Hz的信號(hào)通過RC進(jìn)入模擬地，小于1000Hz的信號(hào)保留。由于稱重傳感器輸出的信號(hào)在0～20mV之間，不滿足ADuC845A/D模擬輸入±20mV～2.56V的要求，設(shè)計(jì)中采用了美國B-B公司的精密儀表放大器INA118， 可調(diào)增益電阻Rg選用505Ω高精密、低噪聲的金屬膜電阻，將信號(hào)放大101倍后得到差分信號(hào)AIN1+，AIN1-[4]。由于ADuC845單片機(jī)片內(nèi)集成有2個(gè)24位∑－△A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)中將重量差分信號(hào)AIN1+，AIN1-送入單片機(jī)P1口的P1.0，P.1.1進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最終得到重量信號(hào)值。重量信號(hào)采集電路如圖2所示。

2.2 速度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

圖3 速度信號(hào)采集電路圖

本設(shè)計(jì)中采用光電式測(cè)速傳感器，利用發(fā)光二極管和光敏三極管組成的光電器件EE-SX674將配料皮帶速度轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)FOUT1。由于該信號(hào)中也帶有一定的高頻噪聲，因此設(shè)計(jì)中先利用RC進(jìn)行低通濾波，再經(jīng)過三極管Q101對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，最后經(jīng)反相器74LS14緩沖后即得到標(biāo)準(zhǔn)的TTL高低電平信號(hào)SPEED，該信號(hào)送入單片機(jī)的T0進(jìn)行計(jì)數(shù)。速度信號(hào)采集電路如圖3所示。

2.3 調(diào)節(jié)信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì)

ADuC845單片機(jī)將物料的瞬時(shí)流量信號(hào)與設(shè)定的流量信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)兩者偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出一個(gè)調(diào)節(jié)量給調(diào)速電機(jī)，來調(diào)節(jié)給料機(jī)的給料頻率，進(jìn)而保持瞬時(shí)流量恒定。設(shè)計(jì)中利用單片機(jī)的DAC功能將PID調(diào)節(jié)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為0～2.5V的模擬電壓信號(hào)，再經(jīng)壓流轉(zhuǎn)換器件AM462將0～2.5V電壓轉(zhuǎn)換為4～20mA調(diào)節(jié)電流輸出。調(diào)節(jié)信號(hào)輸出電路如圖4所示。

設(shè)計(jì)中選擇R3= R304＝47K，R4由1.43K的電阻R305和量程為2K的電阻器R306串聯(lián)組成；R2 =R302=47K，R1由9.1K的電阻R301 和量程為20K的電阻器R303串聯(lián)組成。當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)（VINP＝0），調(diào)整電阻器R306，使輸出電流IOUT= ISET=4mA；當(dāng)輸入信號(hào)為2.5V時(shí)（VINP＝2.5V），調(diào)整電阻器R303，使輸出電流IOUT=20mA 。

2.4 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

嵌入式配料稱重系統(tǒng)中，各配料皮帶上物料的流量信息及系統(tǒng)中的其它參數(shù)通過CAN總線接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。設(shè)計(jì)中采用了Philips公司的獨(dú)立CAN總線控制器SJA 1000，由單片機(jī)的P2.3口控制SJA1000的片選，SJA1000的XTAL1、XTAL2接至6.24MHz的晶振，確保正確復(fù)位。通過CAN總線收發(fā)器PCA82C250將輸出連接到外部總線上，完成與上位機(jī)的通信[7]。CAN總線接口電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 RTX51 Tiny嵌入式操作系統(tǒng)

圖4 調(diào)節(jié)信號(hào)輸出電路圖

配料稱重系統(tǒng)采用 RTX51 Tiny嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)是德國Keil公司開發(fā)的用于51系列單片機(jī)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以很容易地運(yùn)行在51系列單片系統(tǒng)及由其派生的高性能單片機(jī)上，而不需外部存儲(chǔ)器的支持[8]。RTX51 Tiny的內(nèi)核集成在Keil 51編譯器中，很容易用Keil C51語言編寫和編譯多任務(wù)程序，便于循環(huán)任務(wù)切換。由于ADuC845單片機(jī)集成了很多資源，如62k字節(jié)的片內(nèi)閃存、電可擦除程序存儲(chǔ)器、2k字節(jié)的可以被映射到外部地址空間的XRAM，3個(gè)定時(shí)器，可使操作系統(tǒng)做必要、合理的配置，從而達(dá)到性能最優(yōu)和資源充分利用。

3.2 軟件任務(wù)的劃分及實(shí)現(xiàn)[9]

圖5 CAN總線接口電路圖

該系統(tǒng)中，軟件采取任務(wù)模塊化方式，完成初始化，看門狗，流量計(jì)算、校驗(yàn)與標(biāo)定，4～20mA調(diào)節(jié)輸出，CAN總線通信等功能。因此創(chuàng)建4個(gè)任務(wù)，os_creat_task (Feed_dog)，os_creat_task (Flowrate)，os_creat_task (Flowrate-tune), os_creat_task (CAN-send)。系統(tǒng)初始化以后，順序建立這4個(gè)任務(wù)，然后CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)。各個(gè)任務(wù)運(yùn)行后即進(jìn)入任務(wù)休眠狀態(tài)，等待其它任務(wù)的喚醒。相應(yīng)任務(wù)被喚醒以后進(jìn)行處理，完成后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。這樣減少了任務(wù)切換，減輕了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)束語

基于ADuC845的嵌入式配料稱重系統(tǒng)，以ADuC845單片機(jī)為核心，RTX51 Tiny為嵌入式操作系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)各臺(tái)配料皮帶上物料流量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)各種物料的配比，達(dá)到準(zhǔn)確配比的目的。同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行過程中各皮帶流量信息和各種參數(shù)通過CAN總線接口與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速通信，該系統(tǒng)性價(jià)比高，工作可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值和研究意義。

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