基于ＡＲＭ的电子皮带秤仪表设计 王砷玮，李传江 （上海师范大学信息与机电工程学院，上海２０１４１８） Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂｅｌｔ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ ＷＡＮＧ Ｓｈｅｎ—ｗｅｉ，ＬＩ Ｃｈｕａｎ—ｊｉａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１４１８，Ｃｈｉｎａ） 摘要：设计一种多功能电子皮带秤仪表，采用单 片机作为下位机，实现数据采集功能，ＡＲＭ系统作 为上位机，实现累积量计量、流量控制等功能；将无 模型自适应控制用于皮带流量控制中，仿真结果表 明，该算法具有良好的控制性能。 关键词：ＡＲＭ；皮带秤仪表；无模型自适应控制 中图分类号：ＴＰ２７３．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｉ００１—２２５７（２０１３）０２—００４４—０３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｍｕｈｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｂｅｌｔ ｓｃａｌｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉ ｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ｓｉｎｇｌｅ— ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｏ ａ— ｃｈｉｅｖｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ＡＲＭ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｖｏｌｕｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ． Ｍｏｄｅｌ ｆｒｅｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｅｌｔ ｆｌｏｗ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＲＭ；ｂｅｌｔ ｓｃａｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ；ｍｏｄｅｌ ｆｒｅｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ０ 引言 在工业自动化生产过程中，一种产品往往包含 几种不同配比的物料。为了能够生产质地均匀、高 质量的产品，这就需要研制一种能够精确控制各种 物料的投放质量，确保配比准确的动态称重系统。 皮带秤仪表是在皮带输送机输送物料过程中对物料 进行连续自动称重的计量设备，其称重过程是连续 和自动的，不需要工作人员的干预即可完成称重操 作 。 收稿日期：２０１２—１０—２６ ・ ４４ ・ 目前，各自动化生产线也越来越追求于无人看 管、无人监督和自动生产的机械化操作，各流水线要 求对物料投放进行精确测量，通过先进的控制技术 快速实现自动配料。为此，设计一种基于ＡＲＭ的 多功能皮带秤控制仪表，不仅能够实现物料累积量 和流量的自动计量，还能实现流量的实时控制，从而 满足自动配料的需求。 １ 电子皮带秤系统组成 １．１ 系统结构 皮带秤称重系统一般由秤架、称重传感器、速度 传感器、信号处理单元和称重显示控制器（皮带秤仪 表）５大部分构成。设计的皮带秤仪表的原理如图１ 所示。下位机数据采集系统采用ＭＳＣ１２１０Ｙ０５单 片机作为核心芯片，主要实现压力信号处理和转速 信号处理，以及信号采集的功能。上位机系统则采 用ＡＲＭ７芯片ＬＰＣ２２１４为主控单元 ］，主要实现 累积量计算、流量计算、通讯接口、显示和控制输出 等功能，其中模拟量输入０～２Ｏ ｍＡ电流用于流量 控制的给定信号，模拟量输出用于变频器调节转速， 控制电机运转速度。 ｌ下位机 堡壁 Ｈ 堕垫 ｌ ｌ上位机 —Ｌ 壤罟 Ｉ压力传感器ⅣＨ鲨 塾 卜 丽 Ｈ 一 、Ａ／Ｄ转换 Ｒ机 Ｓ４８５ 机数 曩委１上位 据分 析管 ｝有府估成强ｌ 一 理 模拟量 Ｌ 一 丁１＿‘ｌ输出 Ｉ开关量输Ｉ 入输出『 图１皮带秤仪表系统的组成 １．２系统工作原理 系统采用４路压力传感器安装在托辊的下方， 克服了通常１只传感器情况下，因皮带跑偏、物料在 《机械与电子｝２０１３（２） ＡＲＭ的电子皮带秤仪表设计 皮带上堆积偏向一侧，而引起偏心载荷影响称重精 度的缺点。当物料投放到皮带上时，压力传感器会 把感应的压力转换成微弱的电信号，然后经前置滤 波增益放大电路完成信号调理功能；光电传感器则 通过光栅码盘获得光电脉冲，经整形滤波电路计算 出皮带转速；设计中还添加角度传感器，是为了应对 堆取料与皮带运行时存在倾角的变化而引起测量误 差的情况，扩大了系统的应用范围，克服了常规动态 称重系统在某些场合不能使用的缺点。 下位机对接收的压力信号、转速信号和角度信 号，进行Ａ／Ｄ转换，通过Ｒ８４８５串口与上位机 ＡＲＭ７系统通信，把测量的信息传给上位机。上位 机通过积分运算实现累积量计量，并采用闭环控制 算法实现流量的实时控制，流量的给定值可以通过 模拟输入信号设定，也可由其他系统通过通信口设 置，通过模拟量输出来控制电机转速，从而控制皮带 的运行速度，达到控制流量的目的。故将无模型自 适应控制算法用于流量闭环控制中，可以提高控制 性能。 压压压压角转 ２ 硬件设计 力力力力度速 信信信信信信 号号号号号号 １ ２ ３ ４ ２．１ 下位机数据采集 传感器输出的电信号一般较微弱，信噪比小，易 淹没在噪声中，此外传感器的输入／输出存在一定的 非线性，因此在前端处理电路中应滤除噪声等干扰， 进行信号调理。多通道数据采集系统采用电源 供电，互不干扰，保证传感器有着良好的输出特性。 压力信号调理电路如图２所示。选择低功耗、高精 度和宽电压的仪用放大器ＡＤ６２０ｌ５］，通过加在其引 脚１与引脚８中间的增益电阻，实现固定增益放大 （设计中增益约为１００）。压力传感器输出微弱信号 通过Ｒ…Ｒ。。进入系统。由电阻Ｒ Ｒ。ｚ和电容Ｃ… Ｃ。 组成对地低通滤波结构，滤除噪声等干扰，后经 ＡＤ６２０放大输入单片机。这里采用对称结构的低 通滤波器，便于差分信号在传输过程中受到同等程 度的损失，保证线路平衡。 图２压力信号调理电路 《机械与电子））２ｏｌ３（２） 由于微弱称重信号的Ａ／Ｄ转换精度影响整机 系统的测量精度，所以系统采用的ＭＳＣ１２ＩＯＹ０５单 片机芯片 ］，其内部集成了２４位高精度８通道Ａ／ Ｄ转换器，转换速率达到１ ０００ Ｈｚ，可提高微弱信号 的转换精度。设计中采用内置的ＡＤＣ进行数据采 集，各传感器的输出信号采用单端输入方式直接输 入到ＭＳＣ１２１０Ｙ０５的通道中。由于芯片的高集成 度，外围硬件电路设计简洁，外围元件非常少，所以 系统的可靠性高，开发周期短，开发成本低。其数据 采集原理如图３所示。 ＭＲ １ ２１ ｎＹｎ５ 图３ Ｆ位机数据采集原理路 ２．２上位机ＡＲＭ系统硬件 上位机硬件组成如图４所示。主要由管理控制 单元（ＭＣＵ）、存储单元、外部总线和ＬＣＭ显示模 块等组成。其中ＭＣＵ以ＡＲＭ７芯片ＬＰＣ２２１４为 核心，负责整机系统的调度和管理；存储单元采用Ｅ ＩＳ６１ＬＶ２５６１６ＡＬ芯片，可实现数据的高速缓存； 外部总线则通过Ｍ２９ｗ３２ＯＥＴ芯片与ＭＣＵ连接， 选用Ｅ—ＡＴ４５ＤＢ０１１Ｂ芯片，实现对Ｆｌａｓｈ的读写 以及与外围设备的串行通信；ＬＣＭ显示模块完成实 时信息的显示，供工作人员了解机器运行状况。外 部接口电路还设有Ａ／Ｄ输入，Ｄ／Ａ输出，ＲＳ２３２一 Ｄｅｂｕｇ接口以及ＲＳ４８５通信端口，主要实现信号的 输入输出，上位机的调试以及与下位机的通信功能。 为了方便联机操作，选用ＤＭ９０００芯片，设置了以 太网接口。 以太网ＤＭ９０００ 厂 ．， Ａ／Ｄ 串行接ＨＦｌａｓｈ —一 Ｄ／Ａ ＡＲＭ ＳＲＡＭ ＭＣＵ ＲＳ２３２ Ｄｅｂｕｇ ＳＤ卡 报警模块 ＬＣＭ显示 打印模块 键盘输入 ｌ ｌ电源模块 ｌ ｛若干节点输出 图４上位机系统的硬件组成 ３ 软件设计 下位机以ＫｅｉｌＣ作为开发环境，采用基于Ｃ语 ・ ４５ ・ 基于ＡＲＭ的电子皮带秤仪表设 言代码实现Ａ／Ｄ转换和数字滤波功能。由于传感 器输出特性存在非线性，加之信号放大、模数转换等 环节的一系列非线性，使前端信号处理的非线性误 差变得不可忽视，在软件设计中通过设定最小采样 间隔，采用连续采样信号若干次求平均值方法进行 数字滤波，修正非线性误差。上位机ＡＲＭ系统基 于实时多任务操作系统ｔ，ｃ／ｏｓ—ＩＩ，软件开发环境 为ＩＡＲ Ｅｍｂｅｄｅｄ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ。通过内嵌无模型自 适应控制算法，来完成皮带速度闭环控制功能，输入 信号由Ａ／Ｄ进入，控制量由Ｄ／Ａ输出。报警模块 完成报警信号的输出和传感器故障的紧急处理功 能；外围存储器用于累计量和报表的定时保存，打印 模块则实现存储器中数据的打印输出。 ４ 控制算法与仿真结果 无模型自适应控制（ＭＦＡＣ），是指无模型控制 规律，是参数自适应和结构自适应。控制器的设计 仅根据系统的Ｉ／Ｏ数据，不包括受控过程数学模型 的任何信息，能实现良好的跟踪性能，保证系统的闭 环稳定，鲁棒性较强。考虑可观测、可控的离散时间 非线性系统： （忌）一ｆ（ｙ（愚一１），Ｙ（尼一２），…，Ｙ（ｋ—ｎ）， （愚 １）， （ｋ一２），…，Ｕ（忌一 ）） （１） ｕ（ｋ一１），Ｙ（ｋ一１）分别为输入和输出； ，ｍ为 系统阶次；＿厂（・）为未知的非线性函数。无模型自 适应控制并不是没有模型，而是不建立模型，依赖 “泛模型”： Ａｙ（ｋ）一 （是一１）Ａｕ（ｋ一１） （２） Ａｙ（ｋ）一 （是）一ｙ（ｋ—１）；Ａｕ（愚一１）一“（是一１） 一ｕ（ｋ一２）； （忌一１）称为伪偏导数。由泛模型可推 出预测模型： △ （是＋１）一 （走）Ａｕ（ｋ） （３） Ａｙ（ｋｑ－１）一Ｙ （晟＋１）一ｙ（ｋ），Ａｕ（ｋ）一 （忌）一 ｕ（ｋ一１）。Ｙ （忌＋１）为ｋ＋１时刻系统期望输出；Ｙ （ ）为ｋ时刻系统实际输出；“（忌）为ｋ时刻系统的输 入；ｕ（ｋ一１）为ｋ一１时刻系统的输入。控制目的是 在ｋ时刻对系统施加控制作用Ｕ（走），使系统输出期 望值Ｙ （忌＋１），为此，引入控制输入准则函数： Ｊ（ｕ（１ｅ））一ｌＹ （走＋１）－－ｙ（ｋ）ｌ ＋ ｛ （走）一 ｕ（ｋ一１）ｌ （４） 为可调的权重系统，用于克服稳态误差。将 式（３）代人式（４），对 （ｋ）求导，并令其等于零，可 ・ ４６ ・ 得： （是）一乱（是一１）＋ 黪［ （走＋１）一 （ ）］ （５） Ｐ为可调节步长序列。既要使 （尼）Ａｕ（ｋ）逼近 ｙ（ｋ＋１）一 （忌），又要控制伪偏导数变化不能太快， 设计估计准则函数： Ｊ（ （忌））：＝＝ｌ Ｙ （忌＋１）一Ｙ（忌）～ （最）Ａｕ（是）ｌ ＋ ｌ （忌）一 （愚一１）｛。 （６） 引入 Ｉ （尼）－－｝（ｋ－－１）ｌ ，惩罚了参数 （是）的 变化，进一步推导可得： （愚）一 （是一１）＋ ［ （是＋ １）一 （点）一 （忌一１）Ａｕ（ｋ—１）］ （７） ，叩在控制过程中均为可调参数。 ＭＦＡＣ分为伪偏导数辨识和控制律计算，其算 法流程如图５所示。 图５ ＭＦＡＣ算法流程 实验中采用的数学模型『７ 为： Ｇ㈦一 （８） 仿真结果如图６所示，大约在２．１ Ｓ处进入稳 态，表明ＭＦＡＣ控制器可以不依赖系统参数模型， 通过快速学习，准确掌握被控对象当前特征，产生合 理的控制对策，获得理想的控制效果。 ／ ，期望输 出（Ｙ ） ／‘ 一——一 ＼ ， 实际输 ＼ 出（ 。 ） ｆ ０ ５００ １ ０００ １ ５００ ２ ０００ ２ ５００ ｔ｜ｍｓ 图６ ＭＦＡＣ控制算法的仿真结果 《机械与电子｝２０１３（２） 基于三重网络的远程测控系统设计 杜向党，张宇，巩静静，石秀华 （西北工业大学航海学院，陕西西安７１００７２） Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅｍｏｔｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｔｒｉｐｌｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＤＵ Ｘｉａｎｇ—ｄａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕ，ＧＯＮＧ Ｊｉｎｇ—ｊｉｎｇ，ＳＨＩ Ｘｉｕ—ｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ） 摘要：针对山区等地形复杂且测控点呈现整体 分散局部集中的测控现场，以某集中供水系统为原 型，设计了一种通用的、基于多重网络的远程测控系 统，实现了对测控现场的远程监测和自动控制。 ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｍｏｎｉ— ｔｏｒｉｎｇ ｓｉｔｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ； ＺｉｇＢｅｅ；ＧＰＲＳ；ＬａｂＶＩＥＷ；Ｗｅｂ ｓｅｒｖｅｒ 关键词：远程测控；ＺｉｇＢｅｅ；ＧＰＲＳ；ＬａｂＶＩＥＷ； Ｗｅｂ服务器 中图分类号：ＴＰ２７７ 文献标识码：Ａ ０ 引言 随着通信技术、网络技术和控制技术的发展，远 程测控技术得到迅猛提高。远程测控的核心之一就 是远程通信，实现远程通信的数据传输方式多种多 样，而且随着通信技术、计算机技术的发展，新的传 输方式也陆续出现口 ］。在此，将长距离无线通信 文章编号：１００１—２２５７（２０１３）０２—００４７一Ｏ４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｐｌａｃｅｓ ｉｎ ｍｏｕｎｔａｉｎ ｏｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ａｎｄ ｌｏｃａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ，ｔａｋｉｎｇ ａ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ， ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｇｅｎｅｒａｌ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓ— 方式、短距离无线通信方式和有线通信方式结合起 来，利用ＬａｂＶＩＥＷ建立测控中心人机界面，对自来 水厂各个点的数据进行显示处理，同时存人数据库， 并由技术人员做出响应，实现对水厂各分站的远程 测控。 秤自动化中的应用［Ｊ］．现代电子技术，２００５，２８（１４）： ７３—７４． ｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ 收稿日期：２０１２—０９—０６ ５ 结束语 利用ＡＲＭ，设计了多功能皮带秤仪表，不仅能 实现累积量和流量计量，还能实现流量的实时控制， Ｅ４］茅红伟，李传江，张自强，等．一种新型电子胶带秤控制 仪表的设计ＥＪ］．工矿自动化，２０１０，３６（１２）：６５—６８． Ｅ５］曹军．仪器放大器ＡＤ６２０性能及其应用ＥＪ］．电子器 件，１９９７，２０（３）：６２—６５． 具有报表打印、报警输出和通信等功能，适合于各种 散料计量和流量控制场合。仿真结果表明，将无模 型自适应控制系算法用于皮带秤流量控制，有较好 适应性，能够满足不同场合的皮带秤流量控制。 参考文献： ［１］方原柏．电子皮带秤发展综述［Ｊ］．自动化博览，２００３， ２Ｏ（Ｓ１）：１４２—１４４． ［６３刘军亮，王盛安，蔡树群．基于ＭＳＣ１２１０Ｙ０５的多通道 数据采集系统［Ｊ］．国外电子元器件，２００６，（９）：５１— ５４． ［７］Ｌｉ Ｃ Ｊ，Ｚｈａｎｇ Ｚ Ｑ，Ｑｉ ｚ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｏｖｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉ—ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｂｅｌｔ ｓｃａｌｅ ｒＣ］．ＩＣＩＥＡ，２Ｏ１０．７８２—７８４． ［２］ 宋爱娟，闫冬梅．基于ＤＳＰ的动态称重系统的设计 ｒＪ］．仪器仪表学报，２００３，２４（Ｓ１）：１１５—１１７． ［３］ 任治斌，张富春，杨延宁．ＭＣＳ一５１单片机在电子皮带 《机械与电子｝２０１３（２） 作者简介：王砷玮（１９８９一），男，安徽安庆人，硕士研究生， （１９７８一），男，河南商丘人， 研究方向为嵌入式与通信控制；李传江博士研究生，副教授，研究方向为智能检测与控制。 ・ ４７ ・
