粉末状物料称重技术的研究

【摘 要】针对未来机械包装业配合着产业自动化的趋势，在技术上将朝着控制数字化方向发展，本文具体分析了食品类粉末状物料的定量下料问题，利用TI公司的TMS320VC5402微处理器芯片能实时快速地实现各种数字信号处理算法的特点，对食品企业的粉粒状物料的动态称重技术进行了研究。

【关键词】控制数字化；动态称重；定量下料

0 引言

我国作为一个人口大国，是世界第一大食品生产国。近年来随着人们膳食结构的调整和饮食习惯的改变，促进了食品加工业的快速发展，需要大量高品质的包装机械和食品加工机械。未来几年食品和包装机械的需求量将会大幅度增加。国内的大力发展与国际市场的适时开拓与进入，势必给食品包装机械市场带来更好的利润发展空间。我国的食品和包装机械行业近些年来所取得的成绩是显著的，但与西方发达国家的产品相比仍存在10年以上的技术差距。我国现有的一些包装机械产品技术含量不高，特别是在定量称重环节上，无论是速度还是精度都无法与欧美国家的同类产品相抗衡，对我国食品和包装机械行业的整体发展已经造成了一定的阻碍。因此，在快速自动称量中如何提高动态称量准确度，一直是包装机械企业急需解决的难题[1]。

1 设计的基本框架

本文的设计是基于我国定量称重包装机械的市场情况和发展趋势所提出的，它利用了数字信号处理器（DSP）其独特的结构和快速实现各种数字信号处理算法的突出优点，对如何提高包装机的速度和精度提出了改进方案[2]。称料斗受到的力大小由称重传感器转换成与之相应的电压信号，该电压信号经OP07放大器放大后再A/D转换成离散的数字信号，将此数字信号送入DSP进行处理并换算成一个判断值。把判断值和参考值做比较，当达到或超过时，DSP停止电磁振动给料器下料，触发料斗开门装置打开排料门卸料，物料落入包装容器中，完成一个充填周期。

在硬件电路设计上要对硬件电路部分进行调试工作，在设计调试过程中，要兼顾考虑温度和时间等因素变化引起的零漂、温漂、时漂和失调电压，以及称重传感器、信号放大器和A/D转换器中任何一个性能不佳对精度和速度产生的影响。因为本文涉及的称重信号是随时间变化而变化的，属于动态称重过程。对于动态称重过程要想提高动态计量精度，必须首先保证数据采集系统的静态精度和稳态性。

2 硬件电路的设计

本文的硬件部分主要设计了DSP（数字信号处理）硬件控制平台。该平台主要由称重传感器模块、放大电路模块、ADC信号采集模块、数字信号处理DSP模块、外部存储器模块、CPLD（可编程逻辑器件）模块、舵机控制模块等组成，下面将对以上各个模块作详细介绍。

2.1 传感器介绍

本设计选用的是普通的电阻应变式称重传感器，它是属于双孔梁结构，主要是弹性敏感元件、电阻应变片、检测电路三部分组成。弹性敏感元件是一个有特殊形状的结构件，它的主要作用是将被测的重量转换为形变。而电阻应变片作为变换元件则将弹性体的形变同步转换为电阻值的变化，且分别处于相反的应力区内，即当其中一对电阻的变形为拉伸时，另一对则为压缩变形。检测电路的主要部件是惠斯登电桥，它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题，并把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出[3]。

它的工作原理比较简单，用以上四个处于相反的应力区内的等值应变电阻片组成惠斯登电桥。当不受压力作用时此时R■=R■=R■=R■=R，电桥处于平衡状态，称重传感器的输出电压U■=0mV。

当物料重量通过称量料斗作用于称重传感器时，称重传感器的弹性敏感元件在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化，并且各桥臂阻值变化相同，设变化量为R，即：R1、R4分别减小R，R2、R3分别增大R时，可以推出传感器的输出电压为：U■=？驻RR・U■。

以上可以看出，当对电桥任意对应的两端加一恒定电压，另外两端便输出对应于压差的电压信号，从而达到测量重力的目的。

2.2 放大电路的设计

由于本设计所选用的ADS8341内部没有PGA（可编程增益放大器），所以必须外接放大电路。本设计选用差动放大电路的放大电路，电路可以有效地抑制温漂、抗干扰能力强。

2.3 ADC采样模块的设计

ADS8341是一种典型的逐次逼近式A/D转换器，它是基于电容充放电的原理来实现采样保持功能的，在制作上用的是0.6μmCMOS工艺。输入转换器的模拟信号首先要通过一个4通道多路复用器，经过相应寄存器的配置选择后进入转换过程。如果选择单通道模式，被选择的通道以COM为基准进行信号采样。在差动模式下，由两个被选中的通道提供差动输入。

在转换过程中，采样时模拟输入的电流大小取决于设备的转换速率。因为在采样开始时，采样电容进行充电，当电容充满电荷后，就不会再有更多的电流了。所以转换速率越快，电容充放电越频繁，采样时的模拟输入电流就会越大。ADS8341虽然是以SPI串行通讯方式工作的，但经过实验分析在帧脉冲上与5402上的McBSP不兼容。但如果把McBSP的引脚配置成通用的I/O引脚，进行SPI时序模拟还是比较容易的。

2.4 CPLD可编程逻辑器件的应用设计

在电路设计中会遇到不少组合逻辑问题，如读写信号译码和信号反向、I/O空间的扩展和键盘扫描等。由于这些情况较多，如果用分立元件设计会很烦杂，且占用较大的空间，不具有灵活性。我们最后选用Altera公司生产的CPLD器件EPM7128来完成所有这些功能。

DSP的一些控制信号经过CPLD后输出了RAM和FLASH的片选、读写信号。通过分析DSP对FLASH与SRAM的读写时序，就可很方便地用CPLD 来实现逻辑译码功能。

3 DSP测控系统软件设计

DSP程序设计部分主要考虑的问题是，如何选择合适的控制算法来实现准确的称重。当称重信号采集进来后，就可以经过滤波、系统辨识等一系列信号处理方案，然后依据处理后的信号来控制开关达到准确称重的目的。在CCS集成开发环境下，首先要对DSP进行合理的初始化，配置好相应的寄存器，开放定时器中断，把ADC采样程序写在定时中断子程序里，使采样工作在设定的速率下，做到一个中断采集一次。采样之后紧接着在同一个中断中做信号处理，然后做阈值判断，最后退出中断。值得注意的是，由于ADS8341自身不带自校准功能，在采样之前进行初始化要加上自校准的程序[4]。

系统初始化程序主要是对堆栈和状态寄存器进行设定，这部分程序如果用C语言编的话可以直接调用库函数，也可以自己编写。我在编写程序代码时选择了执行效率较高、执行精确的汇编语言。

初始化的工作主要：①置位INTM关闭所有可屏蔽中断，使能中断屏蔽寄存器中定时器的中断，清除中断标志位。②配置CLKMD来设定PLL，使DSP工作在较高的系统时钟上。③通过设置等待状态寄存器SWWSR和分区转换控制寄存器BSCR，使得在对外部总线进行控制时自动插入设定好的等待周期，这样一来，DSP就能很方便地与外部慢速器件相接口。④通过设置处理器工作模式状态寄存器PMST来设定DSP的工作模式，并设定好定时器的定时时间。⑤然后就可以对串口进行初始化，完成液晶1602的复位，使其工作在期望的模式下。⑥最后启动电磁振动给料机，设置相应的中断寄存器来启动定时器，剩下的是等待中断的发生。

4 结论

综上所述，本设计用DSP作为动态重量计量测控装置的核心器件，为的是希望通过在硬件和软件设计中采用了一些措施和动态控制方法，能较好地兼顾了粉状物料重量计量精度和速度的矛盾， 实现了粉状物料连续生产过程中动态计量的包装要求，这对改进我国当前食品企业的粉状物料称重技术，提高企业的生产率、降低企业的生产成本有积极意义。

【参考文献】

[1]杜振清.国产包装机械还要继续热身[J].中国包装机械，2003，25（3）：45-49.

[2]刘建.包装机械技术迈向何方[OL].中国机械工业技术信息网.cn.

[3]王琦.电阻应变式称重传感器的设计[J].木材加工机械，2005（3）：20-23.

[4]赵红怡.DSP技术与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2003，6.