基于STM 32的6通道稱重控制儀表設(shè)計

周信健　許川佩

（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院　桂林　541004）

1　引言

稱重控制儀表是一種實時測量物料重量并根據(jù)重量自動發(fā)出控制信號的智能儀器，廣泛應(yīng)用于包裝、罐裝等工藝流程中。市場上高性能、功能完備的稱重控制儀表也比較常見［2］。但是單個儀表在控制速度上已基本達到了極限，在大批量包裝、罐裝任務(wù)中需要多臺機器結(jié)合，且各臺機器設(shè)置參數(shù)不一，控制結(jié)果參差不齊。因此，設(shè)計一種多通道同步采樣控制的儀表不僅可以提高機器的集成度和控制結(jié)果的統(tǒng)一性，而且可以成倍地提高工作效率，減少人力勞動。

2　儀表的工作原理

物料包裝、罐裝系統(tǒng)主要由儲料器、高低速出料口、稱重平臺機構(gòu)和稱重控制儀表組成。稱重控制儀表作為控制核心，通過稱重平臺實時測量平臺的重量，判斷平臺重量是否與設(shè)定皮重值相等，如果相等則判斷包裝或罐裝的外包裝已就緒，然后開始通過高低速出料口往外包裝快速填充物料，當(dāng)物料填充到指定重量則切換到低速填充直到和目標(biāo)重量-提前量相等，當(dāng)留在空中的物料完全落入包裝后，和目標(biāo)重量相等。6通道稱重控制儀表是把6個這樣的機構(gòu)同時控制達到提高效率和集成度的效果。

3　硬件設(shè)計

儀表的硬件框圖如圖1所示，儀表的硬件按照功能分為電源模塊、STM32嵌入式模塊、ADC同步采樣模塊、通信模塊和IO模塊。由于稱重儀表應(yīng)用在各種干擾均存在工業(yè)的環(huán)境中，因此各個模塊間的信號和電源均采用隔離方式連接，一方面可以減少模塊間的串?dāng)_，另一方面可以在某一模塊因外部異常受到?jīng)_擊時，避免對其他部分造成影響而達到保護其他模塊的目的［3］。儀表的主控芯片為STM32F103ZET6，與LCD12864、矩陣鍵盤、外部非易失性存儲器組成嵌入式單元模塊。通過LCD12864、矩陣鍵盤、外部非易失性存儲器作為基本參數(shù)的設(shè)置和存儲。因為6通道稱重控制儀表需要顯示的內(nèi)容和參數(shù)較單通道的儀表要多得多，所以采用常用的LED或LCD12864已經(jīng)達不到操作簡單的目的。因此，功能參數(shù)通過通信模塊與10寸MCGS工業(yè)觸摸屏進行人機交互。用于稱重的6個稱重傳感器分別與各通道獨立的CS5532芯片連接。CPU實時讀取傳感器的重量信號，并通過數(shù)字濾波［4］、工程單位變換、狀態(tài)檢測后，一方面把儀表的工作狀態(tài)和各通道實時重量實時顯示到MCGS觸摸屏上，另一方面通過重量比對、動作判斷經(jīng)過IO模塊輸出控制投料器的開關(guān)，從而實現(xiàn)物料的定量控制。

圖1　儀表硬件框圖

3.1　電源模塊設(shè)計

電源模塊電路如圖2所示。采用24V直流電源進行供電，減小儀表的體積和減少電源的發(fā)熱量。通過MP2303同步降壓電路后，得到12V左右的穩(wěn)定電壓，再使用IR2085S和FDS8689組成半橋式電子變壓器的驅(qū)動。式（1）為半橋式變壓器次/初級匝數(shù)比計算公式。由半橋式變壓器匝數(shù)比計算公式可知，在通過變壓器后整流得到各路相對比較穩(wěn)定的電壓［5］。再經(jīng)線性穩(wěn)壓器進一步調(diào)整，得到滿足系統(tǒng)工作的穩(wěn)定電壓。

圖2　電源模塊電路圖

3.2　STM 32嵌入式模塊

由于該儀表相當(dāng)于6個單通道的稱重控制儀表，所以在主控制器方面要求相對比較高。于是選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6芯片。該芯片為32位CortexTM-M3 ARM處理器在0等待內(nèi)存訪問時具備1.25DMIPS/MHz（Dhrystone2.1）的計算能力，還具備單周期乘法器和硬件除法器，最高時鐘達到72MHz，有512KB程序空間和64KB數(shù)據(jù)空間［6］，各方面指標(biāo)均是文獻［2］設(shè)計采用的W 77E58性能的好幾倍，所以基本能夠滿足設(shè)計需求。在人機接口方面，采用矩陣鍵盤和LCD12864。LCD12864選用ST7290為主控圖形液晶，采用串行方式與ARM處理器USART3連接，以方便采用USART3的同步方式直接與LCD12864通信。但是由于LCD12864顯示有限，所以此人機接口僅作為基本參數(shù)的配置使用。如通信波特率，Modbus地址等。由于STM32沒有內(nèi)部EEPROM，但是稱重儀表需要掉電保存諸如校準(zhǔn)參數(shù)、通信參數(shù)等數(shù)據(jù)，因此需要外加非易失性存儲器。于是選用SPI接口的鐵電存儲芯片F(xiàn)M25CL64，該芯片容量為8KB，采用SPI通信接口，通信時鐘達到20MHz，大量減少了參數(shù)讀寫的時間，使CPU能夠及時處理稱重數(shù)據(jù)。

圖3　ADC同步采樣模塊電路圖

3.3　ADC同步采用模塊

儀表需要采集6通道稱重信號，如果6片CS5532采用異步采樣方式，那么有可能打斷CPU正在處理其他通道的數(shù)據(jù)，造成控制異常。所以該模塊考慮使用同步方式進行轉(zhuǎn)換。此時，6個通道轉(zhuǎn)換的開始時間和完成時間是完全同步的，所以在檢測到轉(zhuǎn)換完成時，可以安排在同一時間間隙內(nèi)按順序讀出AD數(shù)據(jù)。圖3為ADC同步采樣模塊電路圖。由電路圖可見6片IC的SCK、SDO、SDI、MCLK是共用的，其中MCLK為CS5532的系統(tǒng)時鐘，MCLK共用配合控制指令控制6片IC同時開始轉(zhuǎn)換以達到同步轉(zhuǎn)換的目的［7］。采用2mv/V的稱重傳感器在激勵電壓為5V時，滿量程輸出為10mV。CS5532內(nèi)部PGA最大放大倍數(shù)為64倍，放大后的滿量程電壓為640mV。如果采用激勵電壓5V作為CS5532的參考電壓，則滿量程時24位AD的量程利用率640mV/5V=12.8%。因此把5V激勵電壓通過R1、R2、R3分壓后得到 CS5532參考電壓的最低允許值1V。24位AD的量程利用率提高至640mV/1V=64%，并且有36%的余量防止輸入電壓過高損壞芯片。

3.4　通信模塊

儀表的通信模塊使用RS232電路和RS485電路。RS232和RS485均使用Modbus RTU協(xié)議進行通信，但是設(shè)備地址、通訊波特率均獨立并可以同時工作。在工業(yè)系統(tǒng)中RS232電路主要用于點對點通信。在本儀表中用于連接觸摸屏。RS485可以多機通信，主要用于工控系統(tǒng)組網(wǎng)。使用ADUM1402磁耦把CPU和通信電路隔離，減少CPU和通信電路的串?dāng)_，并能在通信線路上電壓出現(xiàn)異常時有效保護CPU電路。通信電平轉(zhuǎn)換芯片分別采用常見的MAX232和MAX485。在信號連接端加入自恢復(fù)保險和瞬態(tài)抑制二極管作為外部高壓的串入保護［8］。

3.5　IO模塊

由于IO模塊的輸出部分主要用于驅(qū)動電磁閥，所以采用TLP281光耦進行隔離，ULN2803達林頓管陣列作為線圈驅(qū)動芯片并采用外部電源供電方式減少儀表內(nèi)部的體積和功耗。輸入部分也采用TLP281作為隔離IC，外接傳感器應(yīng)選為PNP輸出型。輸入輸出部分示意電路圖如圖4所示。

圖4　輸入輸出部分電路圖

4　軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括STM32嵌入式軟件設(shè)計和MCGS人機界面軟件設(shè)計。STM32嵌入式軟件主要負責(zé)實時數(shù)據(jù)處理和實時控制。MCGS人機界面軟件主要負責(zé)系統(tǒng)參數(shù)配置、人機交互圖形設(shè)計和一些非實時的數(shù)據(jù)處理和控制。這樣處理使得STM32處理事務(wù)方面更專注，在控制精度方面能得到更好的效果，程序編寫也更簡潔。

4.1　嵌入式軟件設(shè)計

STM32程序的主要任務(wù)有：稱重信號采集和處理，輸入輸出控制，2個串口的modbus RTU通信。其中稱重號采集處理，輸入輸出控制，modbus RTU通信對實時性要求都比較高，如果處理不好可能出現(xiàn)程序混亂控制不準(zhǔn)確的問題。因此在處理這些信號時需要格外小心。在本儀表中處理方案如下：使用外中斷偵測ADC轉(zhuǎn)換完成，把ADC數(shù)據(jù)讀取中斷置于最高優(yōu)先級，把串口接收中斷位于次優(yōu)先級，串口數(shù)據(jù)發(fā)送使用DMA方式。在ADC完成中斷服務(wù)程序中同時進行端口輸入讀取和端口輸出更新操作，保證端口更新時間間隔一致，不受其他中斷影響。

儀表的主函數(shù)流程圖如圖5（a）所示，首先初始化芯片端口，然后從鐵電存儲器讀取保存的參數(shù)，根據(jù)讀取到的參數(shù)配置串口、Modbus RTU地址、稱重校準(zhǔn)參數(shù)和一些必要的其他參數(shù)。最后在循環(huán)中掃描鍵盤，更新LCD顯示和后臺數(shù)據(jù)處理。

AD轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷處理具有最高優(yōu)先等級，實時性最高。其流程圖如圖5（b），當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，數(shù)據(jù)輸出引腳由高變低產(chǎn)生數(shù)據(jù)下降沿，觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷，于是STM32讀取第一片CS5532的AD數(shù)據(jù)，然后選擇另一片CS5532讀取AD數(shù)據(jù)，按順序讀取完6個通道的數(shù)據(jù)后，對端口的輸入輸出進行更新。因為讀取AD數(shù)據(jù)時沒有條件跳轉(zhuǎn)語句，所以從中斷到讀取數(shù)據(jù)完成的時間是固定的。又由于AD轉(zhuǎn)換完成的頻率固定為240Hz，所以端口的更新也嚴格為240Hz。端口更新后再對AD數(shù)據(jù)進行滑動平均數(shù)字濾波［9］。然后進行工程單位轉(zhuǎn)換，通過一定時間內(nèi)的重量信號分析判斷傳感器是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，為后續(xù)稱重流程控制提供控制信號。然后進行稱重流程控制比對并改變輸出標(biāo)志位，為下一次端口更新做準(zhǔn)備。最后中斷返回。

Modbus RTU［10］采用3.5T時間間隔作為幀間識別，所以在使用時需要一個定時間計算3.5T溢出時間。數(shù)據(jù)接收使用中斷方式。流程圖如圖5（c）所示，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)時，進入中斷，把數(shù)據(jù)讀出放到幀緩沖區(qū)，如果為幀第一個數(shù)據(jù)則啟動定時器，否則清零定時器防止3.5T超時溢出中斷。直到一個幀接收結(jié)束，Modbus RTU主機在3.5T時間內(nèi)不再發(fā)送數(shù)據(jù)，3.5T定時器沒有清零，直到溢出，執(zhí)行3.5T定時器溢出中斷程序，流程圖如圖5（d）。當(dāng)3.5T中斷時，說明完成1幀數(shù)據(jù)接收，首先進行CRC校驗，如果校驗正確則進行地址校驗，否則拋棄錯誤幀中斷返回。地址校驗正確則根據(jù)指令對內(nèi)部數(shù)據(jù)進行讀寫，最后使用DMA方式返回數(shù)據(jù)到主機以減少發(fā)送中斷對CPU的占用。如果地址校驗錯誤則放棄數(shù)據(jù)處理，中斷返回。

圖5　程序流程圖

4.2 MCGS軟件設(shè)計

MCGS嵌入版是專門應(yīng)用于嵌入式計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［11］。軟件開發(fā)采用MCGSE組態(tài)環(huán)境。設(shè)備組態(tài)選擇莫迪康Modbus RTU作為與本儀表的通訊設(shè)備。在通道連接中每個變量使用32位有符號變量或32位無符號變量。每個變量與STM32中的變量一一對應(yīng)。這樣MCGS在數(shù)據(jù)變化時自動與STM32傳輸，數(shù)據(jù)不變時定時讀取STM32中的數(shù)據(jù)。在用戶窗口中添加相關(guān)的交互窗口并設(shè)計，做好控件后與對應(yīng)變量連接。就可以與下位機交互通信了。該儀表的主控制界面如圖6所示。通過使用MCGS觸摸屏人機界面簡化STM32人機交互程序的編寫，同時通過修改MCGSE組態(tài)環(huán)境根據(jù)客戶需求修改界面簡單快捷，通用性較好。

圖6　主控制界面

5　測試與結(jié)論

使用橋式稱重傳感器型號為MT1022，量程10kg的傳感器。表1數(shù)據(jù)為對稱重儀表進行校準(zhǔn)后放入不同質(zhì)量的砝碼對儀表的準(zhǔn)確性進行檢測。從表中可看出儀表在整個量程范圍內(nèi)準(zhǔn)確度非常高。

表1　重量測試數(shù)據(jù)

表2為灌裝320g油漆規(guī)格數(shù)據(jù)。測量步驟為：設(shè)定目標(biāo)值為凈重320g，提前量50g，放上罐，通過“置皮”功能設(shè)定皮重，開始一次灌裝，得到實際凈重與目標(biāo)值凈重的差值，通過儀表的提前量計算功能調(diào)整提前量設(shè)定。然后進行10次灌裝試驗并記錄。通過表格數(shù)據(jù)可見，儀表的灌裝控制精度在±2g范圍內(nèi)，達到了廠方的要求。

表2　灌裝試驗結(jié)果（g）

6　結(jié)語

6通道控制儀表在控制數(shù)量上提高了6倍，解決了單/雙通道儀表同時控制通道少的問題?？刂茢?shù)量增加，操作也較簡單，一致性好，總體速度更快，效率更高。

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