開(kāi)發(fā)了基于ARM的多功能新型智能稱(chēng)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(chēng)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(guò)在串聯(lián)補償環(huán)節對傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償，解決系統時(shí)變非線(xiàn)性強、傳感器動(dòng)態(tài)品質(zhì)差，縮短整個(gè)測量系統到達穩態(tài)的時(shí) 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(chēng)重系統在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應用廣泛，市場(chǎng)上 的這些臺稱(chēng)與平臺稱(chēng)等小型稱(chēng)重計量?jì)x表，主要是對靜止的東 西（如貨物）稱(chēng)重，而對動(dòng)態(tài)稱(chēng)重（如動(dòng)物，家禽）存在功能單一 或者沒(méi)有相應的功能的問(wèn)題。在稱(chēng)重技術(shù)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(chēng)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(jìn) 行快速稱(chēng)重時(shí)，這種傳感器就暴露出缺陷。由于其彈性體的阻 尼比過(guò)小，傳感器到達穩態(tài)的時(shí)間較長(cháng)，不能滿(mǎn)足快速測量的 要求。稱(chēng)重信號中包含低頻隨機干擾，且采樣得到的信號太 短，對動(dòng)態(tài)稱(chēng)重信號作簡(jiǎn)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(yè)標準，基于嵌入式計算機研制 了新型的多功能智能稱(chēng)重儀，稱(chēng)重儀既具有基本稱(chēng)重功能包括 按鍵皮重功能、皮重內鎖功能、自動(dòng)去皮功能、自動(dòng)零跟蹤功 能、動(dòng)態(tài)檢測功能、手動(dòng)和自動(dòng)累計功能，又有動(dòng)物稱(chēng)重、計數、 峰值保持和累加等特殊稱(chēng)重功能。

1.嵌入式稱(chēng)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(shí)時(shí)采集，對實(shí)時(shí)采集的數據進(jìn)行數字濾波校正、分時(shí)存儲，完成對數字信號運算、顯示、傳輸等功能，可以通過(guò)對擴展電路 的控制，對鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，而后通過(guò)鍵盤(pán)散轉程序，對整個(gè)系統 進(jìn)行控制。信號采集部分利用稱(chēng)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(dòng)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(guò)USB 接口與上位機通訊，可根據主機PC發(fā)送的控制參數，對被測對 象的壓力參數進(jìn)行控制調節，進(jìn)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(kāi)發(fā)和定制基于Windows CE的操作系統的工具。在創(chuàng ) 建基本平臺的過(guò)程中主要包括配置平臺、創(chuàng )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(guò)程中主要 有開(kāi)發(fā)用戶(hù)自己的OAL (OEM Adoption Layer)、設備驅動(dòng)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(kāi)關(guān)、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(shí)現對調制器脈沖信號進(jìn)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(chǎng)合。通過(guò)連接外部晶 體振蕩器，PWC318的內部時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)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(shí)鐘信號，產(chǎn)生脈寬輸出信號。脈寬輸出信號控制模擬 開(kāi)關(guān)，當為“0 ”時(shí)，接通-VREF，當為“1 ”時(shí)，接通+ VREF。 PWC318通過(guò)內部16位計數器來(lái)計數脈寬輸出信號為高電平 時(shí)的脈沖數，將結果進(jìn)行迭加后，通過(guò)向控制器發(fā)中斷請求，控 制器讀計數值，實(shí)現對2N個(gè)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(chēng)重儀需要實(shí)現輸出各種結果顯示，采用AG320240大屏 點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊?？刂破髦惺褂昧?/span> 512 K字節的存儲 器，存儲了系統需要的16x16點(diǎn)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(chēng)重系統中設有多個(gè)功能鍵，鍵盤(pán)采用矩陣形式排列，按鍵設置在行列式交點(diǎn)上，通過(guò)鍵盤(pán)向裝置系統輸入相關(guān)參數和控制命令。

2.3信號處理與PWM電路

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

3.稱(chēng)重儀的動(dòng)態(tài)補償

荷重系統經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可以看成單自由度二階系統，測重環(huán)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(zhì)量，由傳感器本身的等效質(zhì)量和托盤(pán)質(zhì)量組 成;M(t)為被測質(zhì)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(diǎn)的位移;F( t)為垂直方向作用力。

采用分段線(xiàn)性化法將模型近似為線(xiàn)性時(shí)不變系統，建立系 統的數學(xué)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(guān)系。設在一個(gè)時(shí)間段[t。to +Δt]內，式（1)可以 簡(jiǎn)化為一個(gè)線(xiàn)性時(shí)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(shí)，敲擊秤臺產(chǎn)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(dòng)態(tài)響應品質(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(shí)的測量值，同時(shí)阻尼過(guò)小，動(dòng)態(tài)響應過(guò)程到達穩態(tài)的調節時(shí)間長(cháng)，測重系統的快速性得不到保證。采用動(dòng)態(tài)數字補償處理改變系統阻尼系數，在系統中增加串聯(lián)補償環(huán)節必須盡可能提高系統輸出動(dòng)態(tài)品質(zhì)，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(huì )達到0.707，不變。設數字

補償環(huán)節H (s)的零點(diǎn)為X(s)的極點(diǎn)，數字補償環(huán)節H(s)的

極點(diǎn)為打s)的極點(diǎn)，并將s域變換到z域，作雙線(xiàn)性變換有[]:

 敲擊實(shí)驗獲得實(shí)驗過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，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(jìn)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(shí)，自 適應補償環(huán)節的零點(diǎn)與模型極點(diǎn)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(dòng)態(tài) 響應特性得到顯著(zhù)改善，系統階躍響應達到97%穩態(tài)輸出的穩 定時(shí)間為0.6 s，小于沒(méi)有補償0.55 s，在存在系統誤差的情況 下，能很好地提高動(dòng)態(tài)測重的速度。

4.試驗與分析

針對稱(chēng)重儀進(jìn)行了普通稱(chēng)重方式、計數稱(chēng)重方式、峰值稱(chēng) 重方式和動(dòng)物稱(chēng)重方式的試驗。普通稱(chēng)重方式、計數稱(chēng)重方 式、峰值稱(chēng)重方式用砝碼作為稱(chēng)重對象，每種方式下測試10 次，經(jīng)傳感器校準，數字濾波和非線(xiàn)性補償后，每隔10 mm讀 次稱(chēng)重顯示，普通稱(chēng)重測量誤差小于0. 25%，峰值稱(chēng)重和計數 稱(chēng)重測量誤差都小于0.4%，動(dòng)物稱(chēng)重誤差小于0. 84%，稱(chēng)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(yǔ)

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(jìn)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(jīng)過(guò)數字濾波等軟件處理，實(shí)現普通 稱(chēng)重方式和特殊稱(chēng)重方式。多功能便攜式智能稱(chēng)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(mǎn)足了稱(chēng)重的實(shí)時(shí)性要求，取得了良好的效果。