基于ADuC845的嵌入式配料称重系统设计与实现

李牡丹 ，李丽宏，雷张伟

LI Mu-dan1, LI Li-hong2, LEI Zhang-wei3

（1.华北电力大学 科技学院 动力系，保定 071051；2.太原理工大学 信息工程学院 自动化系，太原 030021；3.中国人民解放军66382部队，保定 074100）

0 引言

以单片机为核心技术的嵌入式系统，已经在工业过程控制中得到了广泛应用。这些系统一般由嵌入式微处理器(CPU)、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定的应用程序组成，主要用于实现对设备的控制、检测或管理等功能。配料秤作为一种动态控制型衡器，广泛应用于冶金、煤炭、化工、建材等行业的物料配料中。它不仅要指示皮带输送机上所输送物料的流量，而且还要根据输送机上物料的流量和设定值的偏差去调整流量的大小，进而调节各种物料的配比，达到准确配比的目的[1]。本文设计了一种嵌入式配料称重系统，以具有CAN总线接口的称重仪表为核心，以各配料皮带上物料流量为被控对象，通过嵌入式操作系统RTX51 Tiny，将应用程序分解为几个独立的任务，从而使设计开发流程大大简化。

1 系统组成及工作原理

嵌入式配料称重系统由上位机、调速电机、配料皮带秤、称重仪表、CAN总线接口等部分组成[2]。当各配料皮带以一定的速度运行时，由各自称重传感器测得的重量信号和由测速传感器测得的速度信号进入各称重仪表，仪表对得到的数据进行运算处理后转换为物料的瞬时流量和累计量。同时仪表对瞬时流量与设定流量进行比较，经控制算法运算后，输出4～20mA电流信号，将其送到调速电机改变电机转速，进而调节给料设备的给料速度，以稳定物料流量从而达到准确配料的目的[2]。CAN总线接口集成在称重仪表中，上位机通过CAN总线和各台称重仪表进行通信，可实现远程数据采集、参数调整等功能。嵌入式配料称重系统结构如图1所示。

2 称重仪表硬件设计

具有CAN总线接口的称重仪表是本系统的核心部分，设计中选用ADI公司的内嵌大容量闪存的ADuC845作为微处理器，它的内部有2个10通道的24位∑－△A/D转换器，双12位电压输出DAC和UART、I2C、SPI串行接口。

2.1 重量信号采集电路设计

图1 嵌入式配料称重系统结构图

图2 重量信号采集电路图

本配料称重系统中，各配料皮带采用电阻应变片式称重传感器，将重量信号转换为mV级脉动电压信号，该信号含有各种高频噪声，经过滤波处理，即可滤去无用信号。在此采用了串联RC滤波，其中电阻R=10k，电容C选0.01uF，大于1000Hz的信号通过RC进入模拟地，小于1000Hz的信号保留。由于称重传感器输出的信号在0～20mV之间，不满足ADuC845A/D模拟输入±20mV～2.56V的要求，设计中采用了美国B-B公司的精密仪表放大器INA118， 可调增益电阻Rg选用505Ω高精密、低噪声的金属膜电阻，将信号放大101倍后得到差分信号AIN1+，AIN1-[4]。由于ADuC845单片机片内集成有2个24位∑－△A/D转换器，设计中将重量差分信号AIN1+，AIN1-送入单片机P1口的P1.0，P.1.1进行A/D转换，最终得到重量信号值。重量信号采集电路如图2所示。

2.2 速度信号采集电路设计

图3 速度信号采集电路图

本设计中采用光电式测速传感器，利用发光二极管和光敏三极管组成的光电器件EE-SX674将配料皮带速度转换为脉冲信号FOUT1。由于该信号中也带有一定的高频噪声，因此设计中先利用RC进行低通滤波，再经过三极管Q101对信号进行放大，最后经反相器74LS14缓冲后即得到标准的TTL高低电平信号SPEED，该信号送入单片机的T0进行计数。速度信号采集电路如图3所示。

2.3 调节信号输出电路设计

ADuC845单片机将物料的瞬时流量信号与设定的流量信号进行比较，根据两者偏差进行PID运算，输出一个调节量给调速电机，来调节给料机的给料频率，进而保持瞬时流量恒定。设计中利用单片机的DAC功能将PID调节输出的数字量转换为0～2.5V的模拟电压信号，再经压流转换器件AM462将0～2.5V电压转换为4～20mA调节电流输出。调节信号输出电路如图4所示。

设计中选择R3= R304＝47K，R4由1.43K的电阻R305和量程为2K的电阻器R306串联组成；R2 =R302=47K，R1由9.1K的电阻R301 和量程为20K的电阻器R303串联组成。当输入信号为零时（VINP＝0），调整电阻器R306，使输出电流IOUT= ISET=4mA；当输入信号为2.5V时（VINP＝2.5V），调整电阻器R303，使输出电流IOUT=20mA 。

2.4 CAN总线接口电路设计

嵌入式配料称重系统中，各配料皮带上物料的流量信息及系统中的其它参数通过CAN总线接口与上位机进行通信。设计中采用了Philips公司的独立CAN总线控制器SJA 1000，由单片机的P2.3口控制SJA1000的片选，SJA1000的XTAL1、XTAL2接至6.24MHz的晶振，确保正确复位。通过CAN总线收发器PCA82C250将输出连接到外部总线上，完成与上位机的通信[7]。CAN总线接口电路如图5所示。

3 系统的软件设计

3.1 RTX51 Tiny嵌入式操作系统

图4 调节信号输出电路图

配料称重系统采用 RTX51 Tiny嵌入式操作系统，该操作系统是德国Keil公司开发的用于51系列单片机的实时多任务操作系统，可以很容易地运行在51系列单片系统及由其派生的高性能单片机上，而不需外部存储器的支持[8]。RTX51 Tiny的内核集成在Keil 51编译器中，很容易用Keil C51语言编写和编译多任务程序，便于循环任务切换。由于ADuC845单片机集成了很多资源，如62k字节的片内闪存、电可擦除程序存储器、2k字节的可以被映射到外部地址空间的XRAM，3个定时器，可使操作系统做必要、合理的配置，从而达到性能最优和资源充分利用。

3.2 软件任务的划分及实现[9]

图5 CAN总线接口电路图

该系统中，软件采取任务模块化方式，完成初始化，看门狗，流量计算、校验与标定，4～20mA调节输出，CAN总线通信等功能。因此创建4个任务，os_creat_task (Feed_dog)，os_creat_task (Flowrate)，os_creat_task (Flowrate-tune), os_creat_task (CAN-send)。系统初始化以后，顺序建立这4个任务，然后CPU进入休眠状态。各个任务运行后即进入任务休眠状态，等待其它任务的唤醒。相应任务被唤醒以后进行处理，完成后再次进入休眠状态。这样减少了任务切换，减轻了系统负担。

4 结束语

基于ADuC845的嵌入式配料称重系统，以ADuC845单片机为核心，RTX51 Tiny为嵌入式操作系统，成功地实现了对各台配料皮带上物料流量的实时调节，进而调节各种物料的配比，达到准确配比的目的。同时系统运行过程中各皮带流量信息和各种参数通过CAN总线接口与远程上位机进行实时快速通信，该系统性价比高，工作可靠，具有一定的实用价值和研究意义。

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