蘇 超

（西曲礦運輸四隊，山西古交 030200）

0 引言

電子皮帶秤發(fā)展至今已經(jīng)不是一個單純的計量裝置，通過將強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能與數(shù)據(jù)交換功能的結(jié)合已經(jīng)成為了企業(yè)管理系統(tǒng)中的重要組成部分。我國在皮帶秤方面的開發(fā)研究較國外晚，目前行業(yè)整體水平比較低，表現(xiàn)在皮帶秤的精度、數(shù)據(jù)處理能力、通訊接口兼容性和功能齊全性等方面，同時在自動化處理方面也有所欠缺。基于此，本論文研究設(shè)計了一套基于ARM嵌入式系統(tǒng)的電子皮帶秤控制器，其與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比較明顯的優(yōu)點是運行速度快、體積小、通信功能強(qiáng)大、精度高、可定制性強(qiáng)以及價格便宜等。通過增強(qiáng)皮帶秤控制器的網(wǎng)絡(luò)功能可以方便聯(lián)網(wǎng)，與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交換與資源共享。更能夠?qū)υO(shè)備的工作過程進(jìn)行實時監(jiān)控，實現(xiàn)了上位機(jī)對下面設(shè)備的監(jiān)控和管理。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體的設(shè)計目標(biāo)是要實現(xiàn)儀表的小型化、功能的模塊化，以及控制的智能化。同時還需要利用傳感器對目標(biāo)的信息進(jìn)行采集、處理、存儲以及顯示等。這是皮帶秤總體的發(fā)展趨勢。

如圖1所示為本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出在總體框架上本系統(tǒng)可以分為三層，最頂層的是應(yīng)用軟件層，這一層主要是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的具體功能，其中包括參數(shù)設(shè)置、PWM控制、密碼設(shè)定、脈沖測試以及零點、實物、鏈碼等標(biāo)定。處在第二層也就是中間層的是系統(tǒng)軟件，主要包括各種硬件設(shè)備的驅(qū)動，例如：AD驅(qū)動、LCD驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動和串口通訊驅(qū)動等。還有系統(tǒng)底層軟件以及文件系統(tǒng)等。這一層為應(yīng)用軟件層和外部設(shè)備的使用提供底層基礎(chǔ)。最后一層也就是最底層是系統(tǒng)硬件支持。本系統(tǒng)需要用到的硬件包括：AD模塊、LCD模塊、溫度模塊、鍵盤模塊、核心板以及電源模塊等[1-4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，在硬件設(shè)計時也是遵循模塊化的設(shè)計思維，中心部分是以ARM處理器為CPU組成的核心控制板，在核心板上集成了系統(tǒng)運行最基本的時鐘、存儲以及通訊和電源等模塊。在核心板外圍是外部擴(kuò)展模塊包括外擴(kuò)存儲器、各種通訊接口等。最外層是外接硬件，包括LCD顯示屏、鍵盤、各種傳感器和輸入輸出接口等。

2.2 CPU選型

由于本系統(tǒng)需要使用嵌入式Linux系統(tǒng)，所以選用ARM9系列微控制器，因為其內(nèi)部集成了內(nèi)存管理模塊也就是MMU，能夠支持較大的嵌入式系統(tǒng)。通過對比分析后選用了由三星公司設(shè)計生產(chǎn)的ARM9系列32位微控制器，型號為S3C2440A。該芯片采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)總線和控制總線獨立開來，極大增加了芯片的處理速度[3]。如表1所示為S3C2440A微控制器主要硬件資源。

表1 S3C2440A主要硬件資源

2.3 模擬量信號輸出電路

為了更好地適應(yīng)皮帶稱重的需求，本系統(tǒng)設(shè)計了兩種工作模式，分別是通過流量控制和累計稱重。為了在流量控制模式中更好地工作，同時在稱重的過程中實時調(diào)節(jié)皮帶運行的速度，以便能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)皮帶上物料的實時流量，系統(tǒng)專門設(shè)計了一套模擬量輸出模塊，通過輸出的模擬量信號來控制變頻器的輸出頻率，從而達(dá)到控制皮帶驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的目的，具體的模擬量輸出電路如圖3所示。

圖3 模擬量信號輸出電路

本系統(tǒng)的模擬量信號輸出采用的是國際標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA，通過精確度比較高的電壓電流轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)，本系統(tǒng)選用的轉(zhuǎn)換芯片型號為XTR111。如圖3中的電路所示，SET引腳連接的電阻主要功能是設(shè)置輸出電流與輸入電壓回見的轉(zhuǎn)化比率。為了提高系統(tǒng)的輸出能力，也就是提高輸出阻抗，在電路的輸出端通過一個晶閘管來實現(xiàn)[5-6]。

其中PWM DA信號是通過CPU內(nèi)部集成的PWM發(fā)生器產(chǎn)生的具有一定頻率的PWM波，TLP521是光耦，通過其的隔離作用后將最高電平為3.3 V的PWM波轉(zhuǎn)化為最高電平為5 V的PWM波。電路圖中VOUT是PWM波形輸出的平均值，XTR111的輸入信號是通過電阻R31分壓后輸入到VIN管腳的。這樣便可以通過控制PWM的頻率來達(dá)到控制VIN輸入大小的目的，從而達(dá)到控制輸出電流大小的目的。下式為XTR111的輸出電流計算公式：

式（1）中：IOUT為輸出電流，VIN為輸入電壓。

將RSET的值固定為250Ω，當(dāng)輸入電壓變化范圍為1～5 V時，輸出電流的大小為4～20 mA，完全符合設(shè)計要求。

2.4 RS-485接口電路設(shè)計

本設(shè)計利用RS-485通訊方式來實現(xiàn)皮帶秤儀表與控制驅(qū)動電機(jī)的變頻器以及用于控制皮帶的PLC之間實現(xiàn)通訊。使用的通訊協(xié)議是工業(yè)上通用的RS-485協(xié)議。傳統(tǒng)的RS-485通訊有兩種通訊方式，分別是全雙工和半雙工，本系統(tǒng)使用的是半雙工方式，由于其采用的差分通訊方式是兩線制，系統(tǒng)不需要參考電壓，所以RS-485總線的抗干擾能力比較強(qiáng)，高邏輯的電平范圍一般為+12 V～+16 V。而邏輯低的電平范圍是-6 V～-2 V。在較低波特率的情況下理論上最長的通訊距離能夠達(dá)到1.2 km。最快數(shù)據(jù)傳輸速率為 10 Mbit∕s。

如圖4所示為RS-485接口電路。使用的芯片型號為ADM2486，這是ADI公司設(shè)計生產(chǎn)的內(nèi)部集成隔離模塊的RS-485收發(fā)芯片。工作電壓為2.7～5.5 V。具有很強(qiáng)的隔離能力，能夠承受2.5 kV的壓差。極限數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到20 Mb∕s。由于其低成本、高性能的特性非常適合本系統(tǒng)的使用。為了確保通訊電源中沒有高頻干擾，本設(shè)計中使用了B0505S電源隔離芯片來過濾電源，將過濾后的+5 V電源輸入到ADM2486芯片中。利用撥碼開關(guān)來選通RS-485的通訊。RE接口用來控制芯片的使能操作。

圖4 RS-485接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

如圖5所示為本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出本系統(tǒng)的軟件可以分為四部分，分別是底層驅(qū)動初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、顯示程序和數(shù)據(jù)存儲程序。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 Linux系統(tǒng)移植

本設(shè)計使用的Linux內(nèi)核版本為2.6.32。根據(jù)所使用CPU的信號和結(jié)構(gòu)特點，對Linux內(nèi)核的源代碼進(jìn)行相應(yīng)的裁剪，然后配置和編寫驅(qū)動部分所需要的代碼，最后通過編譯器編譯為內(nèi)核的映像文件。但是Linux系統(tǒng)啟動完成后還必須有根文件系統(tǒng)的支持，本設(shè)計使用了busyb?ox-1.18.0設(shè)計文件系統(tǒng)，然后通過U-boot將所有的文件燒寫到CPU的存儲器中[7-8]。

3.3 按鍵驅(qū)動程序設(shè)計

鍵盤在本設(shè)計中主要功能是用來輸入?yún)?shù)以及界面的操作等。如圖6所示為本系統(tǒng)設(shè)計的鍵盤處理軟件流程圖。從圖中可以看出首先是CPU掃描I∕O口判斷是否有鍵被按下，當(dāng)有鍵觸發(fā)時首先是延時20 ms消除抖動，延時完畢后再進(jìn)行鍵盤輸入數(shù)據(jù)的讀取，并通過按下的鍵值來進(jìn)行計算確定有效標(biāo)志位。當(dāng)識別出具體的功能后CPU便會跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能子程序執(zhí)行，當(dāng)子程序執(zhí)行完畢后返回繼續(xù)判斷按鍵是否觸發(fā)。

3.4 物料重量累計程序設(shè)計

重量累加功能是整個系統(tǒng)功能的核心，因此在選定合適的處理算法后通過如圖7所示的物料重量累加程序流程來達(dá)到最終結(jié)果。由于環(huán)境溫度會對皮帶秤的準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定的影響，所以通過實時監(jiān)控環(huán)境溫度來達(dá)到動態(tài)校準(zhǔn)皮帶秤零點的目的。每次程序在執(zhí)行前都要先進(jìn)行溫度的測量，然后再讀取皮帶的實時速度，通過科爾曼濾波算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的結(jié)果默認(rèn)為此時的實時重量，然后將累加后的重量顯示到LCD顯示屏上。

圖6 按鍵處理程序

圖7 重量累計流程圖

4 小結(jié)

本文設(shè)計了一套基于ARM嵌入式系統(tǒng)的皮帶秤，通過現(xiàn)場試驗驗證了其功能的完整性和可靠性，在一定程度上能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場需求，為礦井下同類型設(shè)備的設(shè)計提供了思路。