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基于DSP的智能微控電子式紙張抗張抗壓試驗機

日期:2018年4月26日 18:32

  在涉及到紙張檢測的行業,諸如造紙、卷煙行業都需要對紙張的抗張、抗壓進行高精度的測量。傳統方法為提高力值測量精度僅提高傳感器精度和A/D轉換器的位數,雖然有一定的效果,但是由于受到電路結構、噪聲干擾等諸多因素的影響達到一定精度就很難在有所提高,無法達到其行業標準(QB/T1670-92《微控電子式抗張強度試驗機》)中規定的0級(0.5%)精度。

  現在的智能微控電子式紙張抗張抗壓試驗機,不僅解決了目前產品的力值精度不高,而且抓住抗張試驗機與抗張試驗機機械與電子部分均相似的特點將二者有機整合,合而為一為用戶和企業節約了大量成本。電子式的紙張抗張抗壓試驗機要達到的性能與精度要求符合以上標準的高精度級別:0級(0.5%)

  系統方案及原則系統架構

  以高性能的DSP芯片TMS320LF2407A為核心進行運動控制與檢測運算的系統,以SST89C58為核心的鍵盤與液晶顯示模塊的雙CPU系統。雙CPU之間以串行方式進行通訊,并制定了與上位機之間的三方通訊協議,實踐證明該協議高效實用。即由DSP通過USB接口與上位機(PC)相連實現上位機與鍵盤切換控制,并分別由上位機或DSP打印速據或曲線。

  功能實現

  系統的功能主要包括以下幾部分:

  運動系統的控制與位移的準確測量

  在檢測與控制部分,揚棄了現有的單片機系統,采用了集成度更高的DSP TMS320LF2407A為核心檢測控制芯片。其良好的對運動控制系統的硬件支持,具有硬件QEP、PWM等模塊,并使用精密光電編碼器(2500p/r)、交流伺服驅動器,使本品調速范圍要比現有產品更寬(0.1~200.0mm/min無級可調),位移更精確(0.01mm)。

  力傳感器微弱信號的檢測與采集

  采用高精度拉壓力傳感器。精度:1.9585mv /v(抗壓)、3.0025 mv /v (抗張),保證了信號源的靈敏度。使用16位D/A轉換器為力傳感器提供16位動態分辨率的幅值可調的激勵電壓,減少了電壓波動對傳感器的影響,從根本上提高系統精度成為可能。采用Σ-Δ24位A/D轉換器(CS5532)確保了精確的傳感器信號能有效的轉換為精確的數字信號。并且Σ-Δ結構相比雙積分結構的A/D對系統的白噪聲抗干擾能力更強,使系統的高精度成為現實。利用16位DSP2407A全面支持標準C的各種數據類型,在精度范圍內避免了計算誤差并運用分段線性插值技術進一步提高了傳感器線性程度。即進一步提高了系統力值檢測精度,達到0.2%。實踐證明本系統的檢測方法明顯優于現有市場產品的1%力值精度。

  數據的通訊

  本系統的數據通訊較多,也是在軟件編寫中工程量較大的部分之一。定義了一個完整、高效的三方通訊協議。即實現了上位機,DSP,SST89C58之間數據共享、指令傳遞、切換控制。由于PC機不支持485通訊、通訊的數據量適中、距離較短,所以其中數據采集DSP部分和上位機的聯結采用USB結構。而DSP與SST89C58之間的聯結采用485通訊。

  人機交互

  采用獨立模塊,即以SST89C58為核心的4×4行列掃描鍵盤、320×240圖形液晶顯示。通過串行通訊與DSP進行實時數據顯示。

  上位機

  上位機以USB方式與USB進行實時數據交換,能實現全部鍵盤顯示模塊功能,并能實現獨立控制。

  系統方案的框圖及其說明

  系統由運動控制子系統、測量采集子系統、人機交互子系統、上位機等若干個子系統有機構成,采用的是恒速測量法。

  運動控制子系統

  因為采用的是恒速測量法,所以速度的平滑是關鍵,是力值采集的前提;是運動控制系統和測量采集系統之間的紐帶。

  在運動控制部分,揚棄了現有的單片機系統,采用了集成度更高的DSP TMS320LF2407A為核心檢測控制芯片。由DSP發出PWM信號至交流伺服電機驅動器,交流伺服電機驅動器驅動電機并進行閉環調速,DSP不進行管理。同時,伺服器將光電編碼器的正交編碼脈沖信號至DSP的QEP模塊觸發定時器進行脈沖計數,從而對夾頭位移進行精確測量。并由撲獲模塊對編碼器ZERO進行電機異常轉動進行監測。

  由于采用了松下交流伺服電機驅動器及電機,不僅使調速范圍更寬,速度更精確(達到1%精度),而且使調速更容易控制,速度平滑度更高。速度容易控制僅使DSP有更充裕的時間進行數據處理。

  測量采集子系統

  采用大量程,高精度的力傳感器(精度在0.001mv)于現有產品的測力傳感器精度持平。在傳感器相同的條件下對原系統進行了有效的改進,即使用16位D/A轉換器為力傳感器提供16位動態精度幅值可調的激勵電壓,減少了電壓波動對傳感器的影響,并且該激勵電壓提供方法通用性很強。實踐證明的確大幅度提高了系統精度。現有的該儀器多采用雙積分型A/D轉換器,轉換精度不高,并且對共模干擾抑制能力不高。本系統采用的是DSP+Σ-Δ24位A/D轉換(CS5532),不僅確保了傳感器信號能有效的轉換為精確的數字信號,而且DSP具有對高級語言的良好支持(全面支持標準C的各種數據類型)使運算精度遠高于系統的測量精度。這才使本品大幅提高了系統力檢測精度。本品運用DSP強大的指令處理能力應用分段線性插值技術進一步提高了傳感器線性程度。即進一步提高了系統精度。

  人機交互

  采用4×4行列掃描鍵盤、320×240圖形界面液晶顯示部分由SST89C58實現。因為圖形界面要求占用大量存儲空間而89C58內部集成了32K FLASH,并可實現在運行中寫FLASH所以人機交互主要通過SST89C58來實現。上位機操作界面、數據顯示、曲線顯示及打印共同實現人機交互。

  系統在關鍵技術上的創新

  現有小量程抗張、抗壓試驗機產品均為獨立產品,整合為一機較少見。由于抗張與抗壓測試儀機械部分相似、電子部分相近,所以本品不僅整合了機械部分即雙絲杠橫梁結構,而且在檢測與控制部分,揚棄了現有的單片機系統,采用了集成度更高的DSP TMS320LF2407A為核心檢測控制芯片。故將二者有機整合,可以節省大量成本,為提高系統精度追加更大的成本。

  現有的此類儀器開創采用了集成度更高的DSP TMS320LF2407A為核心檢測控制芯片,其良好的對運動控制系統的硬件支持,具有硬件QEP、PWM 等模塊,并使用松下交流伺服電機驅動器、松下伺服電機、精密光電編碼器(2500p/r)。使本品調速范圍更寬,實際達到0.1~200.0mm/min無級可調,而目前產品多為2~200mm/min無級可調;位移更精確(0.01mm國標規定高標準);速度平滑度更高。速度平滑度是抗張、抗壓材料試驗機測力的前提,也是連接運動控制系統和測量檢測系統的紐帶。

  采用大量程,高精度的力傳感器(精度在0.001mv)與現有產品的測力傳感器精度持平。但本品在傳感器相同的條件下對傳感器的使用上進行了有效的改進,即使用16位D/A轉換器(LT1655)+高精度功放(LT1010)為力傳感器提供16位動態精度幅值可調的激勵電壓,減少了激勵電壓波動對傳感器的影響,不僅從根本上使提高系統精度成為可能,而且加強了系統對不同傳感器的支持能力。

  現有的該儀器多采用8位單片機+多雙積分型12位A/D轉換器,轉換精度與抗共模干擾能力不高,并且由于單片機是單字節計算,在計算精度和計算速度的權衡上左右為難。本系統采用的是DSP+Σ-Δ24位A/D轉換器(CS5532)。不僅確保了精確的傳感器信號能有效的轉換為精確的數字信號,而且DSP具有對高級語言的良好支持(全面支持標準C的各種數據類型)使運算精度遠高于系統的測量精度。這才使本品大幅提高了系統力檢測精度。本品運用DSP強大的指令處理能力應用分段線性插值技術進一步提高了傳感器線性程度。即進一步提高了系統精度。在系統可靠性方面,本品采用DSP系統架構較現有單片機系統架構去除了大量外圍設備,提高了系統的可靠性。在實際調試中抗干擾能力明顯優于普通單片機系統。

  本品在功能上也進行了大量的智能化、人性化的設計

  自動標定

  按照計量行業規定,檢驗儀器必須定期檢驗,本系統首次提出自動標定功能,并在該品上應用。原理既是:系統將與標定相關的參數存于可擦寫的FLASH中,DSP讀取滿量程50%的砝碼的重力,將測取值做參照,從新標定,將標定后參數存于FLASH中。即完成自動標定。

  自動測量

  現有產品在測量時,首先要求用上升、下降鍵將紙張微調至似緊非緊的臨界狀態,即測位移的要求。本品在軟件上處理,不需要如上操作。

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