基于DSP的智能微控電子式紙張抗張抗壓試驗(yàn)機(jī)

在涉及到紙張檢測的行業(yè)，諸如造紙、卷煙行業(yè)都需要對紙張的抗張、抗壓進(jìn)行高精度的測量。傳統(tǒng)方法為提高力值測量精度僅提高傳感器精度和A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，雖然有一定的效果，但是由于受到電路結(jié)構(gòu)、噪聲干擾等諸多因素的影響達(dá)到一定精度就很難在有所提高，無法達(dá)到其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(QB/T1670-92《微控電子式抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)》)中規(guī)定的0級(0.5%)精度。

現(xiàn)在的智能微控電子式紙張抗張抗壓試驗(yàn)機(jī)，不僅解決了目前產(chǎn)品的力值精度不高，而且抓住抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)與抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)機(jī)械與電子部分均相似的特點(diǎn)將二者有機(jī)整合，合而為一為用戶和企業(yè)節(jié)約了大量成本。電子式的紙張抗張抗壓試驗(yàn)機(jī)要達(dá)到的性能與精度要求符合以上標(biāo)準(zhǔn)的最高精度級別：0級(0.5%)

系統(tǒng)方案及原則系統(tǒng)架構(gòu)

以高性能的DSP芯片TMS320LF2407A為核心進(jìn)行運(yùn)動控制與檢測運(yùn)算的系統(tǒng)，以SST89C58為核心的鍵盤與液晶顯示模塊的雙CPU系統(tǒng)。雙CPU之間以串行方式進(jìn)行通訊，并制定了與上位機(jī)之間的三方通訊協(xié)議，實(shí)踐證明該協(xié)議高效實(shí)用。即由DSP通過USB接口與上位機(jī)(PC)相連實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與鍵盤切換控制，并分別由上位機(jī)或DSP打印速據(jù)或曲線。

功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的功能主要包括以下幾部分：

運(yùn)動系統(tǒng)的控制與位移的準(zhǔn)確測量

在檢測與控制部分，揚(yáng)棄了現(xiàn)有的單片機(jī)系統(tǒng)，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(yùn)動控制系統(tǒng)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(qū)動器，使本品調(diào)速范圍要比現(xiàn)有產(chǎn)品更寬(0.1～200.0mm/min無級可調(diào)),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(zhuǎn)換器為力傳感器提供16位動態(tài)分辨率的幅值可調(diào)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(tǒng)精度成為可能。采用Σ-Δ24位A/D轉(zhuǎn)換器(CS5532)確保了精確的傳感器信號能有效的轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字信號。并且Σ-Δ結(jié)構(gòu)相比雙積分結(jié)構(gòu)的A/D對系統(tǒng)的白噪聲抗干擾能力更強(qiáng)，使系統(tǒng)的高精度成為現(xiàn)實(shí)。利用16位DSP2407A全面支持標(biāo)準(zhǔn)C的各種數(shù)據(jù)類型，在精度范圍內(nèi)避免了計(jì)算誤差并運(yùn)用分段線性插值技術(shù)進(jìn)一步提高了傳感器線性程度。即進(jìn)一步提高了系統(tǒng)力值檢測精度，達(dá)到0.2%。實(shí)踐證明本系統(tǒng)的檢測方法明顯優(yōu)于現(xiàn)有市場產(chǎn)品的1%力值精度。

數(shù)據(jù)的通訊

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(xié)議。即實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)，DSP，SST89C58之間數(shù)據(jù)共享、指令傳遞、切換控制。由于PC機(jī)不支持485通訊、通訊的數(shù)據(jù)量適中、距離較短，所以其中數(shù)據(jù)采集DSP部分和上位機(jī)的聯(lián)結(jié)采用USB結(jié)構(gòu)。而DSP與SST89C58之間的聯(lián)結(jié)采用485通訊。

人機(jī)交互

采用獨(dú)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(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)顯示。

上位機(jī)

上位機(jī)以USB方式與USB進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交換，能實(shí)現(xiàn)全部鍵盤顯示模塊功能，并能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。

系統(tǒng)方案的框圖及其說明

系統(tǒng)由運(yùn)動控制子系統(tǒng)、測量采集子系統(tǒng)、人機(jī)交互子系統(tǒng)、上位機(jī)等若干個子系統(tǒng)有機(jī)構(gòu)成，采用的是恒速測量法。

運(yùn)動控制子系統(tǒng)

因?yàn)椴捎玫氖呛闼贉y量法，所以速度的平滑是關(guān)鍵，是力值采集的前提;是運(yùn)動控制系統(tǒng)和測量采

集系統(tǒng)之間的紐帶。

在運(yùn)動控制部分，揚(yáng)棄了現(xiàn)有的單片機(jī)系統(tǒng)，采用了集成度更高的DSP TMS320LF2407A為核心檢測控制芯片。由DSP發(fā)出PWM信號至交流伺服電機(jī)驅(qū)動器，交流伺服電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)并進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速，DSP不進(jìn)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(fā)定時器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，從而對夾頭位移進(jìn)行精確測量。并由撲獲模塊對編碼器ZERO進(jìn)行電機(jī)異常轉(zhuǎn)動進(jìn)行監(jiān)測。

由于采用了松下交流伺服電機(jī)驅(qū)動器及電機(jī)，不僅使調(diào)速范圍更寬，速度更精確(達(dá)到1%精度)，而且使調(diào)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

測量采集子系統(tǒng)

采用大量程，高精度的力傳感器(精度在0.001mv)于現(xiàn)有產(chǎn)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(tǒng)進(jìn)行了有效的改進(jìn)，即使用16位D/A轉(zhuǎn)換器為力傳感器提供16位動態(tài)精度幅值可調(diào)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(qiáng)。實(shí)踐證明的確大幅度提高了系統(tǒng)精度。現(xiàn)有的該儀器多采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度不高，并且對共模干擾抑制能力不高。本系統(tǒng)采用的是DSP+Σ-Δ24位A/D轉(zhuǎn)換(CS5532),不僅確保了傳感器信號能有效的轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字信號，而且DSP具有對高級語言的良好支持(全面支持標(biāo)準(zhǔn)C的各種數(shù)據(jù)類型)使運(yùn)算精度遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的測量精度。這才使本品大幅提高了系統(tǒng)力檢測精度。本品運(yùn)用DSP強(qiáng)大的指令處理能力應(yīng)用分段線性插值技術(shù)進(jìn)一步提高了傳感器線性程度。即進(jìn)一步提高了系統(tǒng)精度。

人機(jī)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(shí)現(xiàn)。因?yàn)閳D形界面要求占用大量存儲空間而89C58內(nèi)部集成了32K FLASH，并可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行中寫FLASH所以人機(jī)交互主要通過SST89C58來實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)操作界面、數(shù)據(jù)顯示、曲線顯示及打印共同實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

系統(tǒng)在關(guān)鍵技術(shù)上的創(chuàng)新

現(xiàn)有小量程抗張、抗壓試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品均為獨(dú)立產(chǎn)品，整合為一機(jī)較少見。由于抗張與抗壓測試儀機(jī)械部分相似、電子部分相近，所以本品不僅整合了機(jī)械部分即雙絲杠橫梁結(jié)構(gòu)，而且在檢測與控制部分，揚(yáng)棄了現(xiàn)有的單片機(jī)系統(tǒng)，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(jī)整合，可以節(jié)省大量成本，為提高系統(tǒng)精度追加更大的成本。

現(xiàn)有的此類儀器開創(chuàng)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(yùn)動控制系統(tǒng)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(jī)驅(qū)動器、松下伺服電機(jī)、精密光電編碼器(2500p/r)。使本品調(diào)速范圍更寬，實(shí)際達(dá)到0.1～200.0mm/min無級可調(diào),而目前產(chǎn)品多為2～200mm/min無級可調(diào);位移更精確(0.01mm國標(biāo)規(guī)定最高標(biāo)準(zhǔn));速度平滑度更高。速度平滑度是抗張、抗壓材料試驗(yàn)機(jī)測力的前提，也是連接運(yùn)動控制系統(tǒng)和測量檢測系統(tǒng)的紐帶。

采用大量程，高精度的力傳感器(精度在0.001mv)與現(xiàn)有產(chǎn)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(jìn)行了有效的改進(jìn)，即使用16位D/A轉(zhuǎn)換器(LT1655)+高精度功放(LT1010)為力傳感器提供16位動態(tài)精度幅值可調(diào)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(tǒng)精度成為可能，而且加強(qiáng)了系統(tǒng)對不同傳感器的支持能力。

現(xiàn)有的該儀器多采用8位單片機(jī)+多雙積分型12位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度與抗共模干擾能力不高，并且由于單片機(jī)是單字節(jié)計(jì)算，在計(jì)算精度和計(jì)算速度的權(quán)衡上左右為難。本系統(tǒng)采用的是DSP+Σ-Δ24位A/D轉(zhuǎn)換器(CS5532)。不僅確保了精確的傳感器信號能有效的轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字信號，而且DSP具有對高級語言的良好支持(全面支持標(biāo)準(zhǔn)C的各種數(shù)據(jù)類型)使運(yùn)算精度遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的測量精度。這才使本品大幅提高了系統(tǒng)力檢測精度。本品運(yùn)用DSP強(qiáng)大的指令處理能力應(yīng)用分段線性插值技術(shù)進(jìn)一步提高了傳感器線性程度。即進(jìn)一步提高了系統(tǒng)精度。在系統(tǒng)可靠性方面，本品采用DSP系統(tǒng)架構(gòu)較現(xiàn)有單片機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)去除了大量外圍設(shè)備，提高了系統(tǒng)的可靠性。在實(shí)際調(diào)試中抗干擾能力明顯優(yōu)于普通單片機(jī)系統(tǒng)。

本品在功能上也進(jìn)行了大量的智能化、人性化的設(shè)計(jì)

自動標(biāo)定

按照計(jì)量行業(yè)規(guī)定，檢驗(yàn)儀器必須定期檢驗(yàn)，本系統(tǒng)首次提出自動標(biāo)定功能，并在該品上應(yīng)用。原理既是：系統(tǒng)將與標(biāo)定相關(guān)的參數(shù)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(biāo)定，將標(biāo)定后參數(shù)存于FLASH中。即完成自動標(biāo)定。

自動測量

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