基于DSP的智能微控電子式紙張抗張抗壓試驗機

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《微控電子式抗張強度試驗機》)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機，不僅解決了目前產(chǎn)品的力值精度不高，而且抓住抗張試驗機與抗張試驗機機械與電子部分均相似的特點將二者有機整合，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機要達(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)行運動控制與檢測運算的系統(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，并制定了與上位機之間的三方通訊協(xié)議，實踐證明該協(xié)議高效實用。即由DSP通過USB接口與上位機(PC)相連實現(xiàn)上位機與鍵盤切換控制，并分別由上位機或DSP打印速據(jù)或曲線。

功能實現(xiàn)

系統(tǒng)的功能主要包括以下幾部分：

運動系統(tǒng)的控制與位移的準(zhǔn)確測量

在檢測與控制部分，揚棄了現(xiàn)有的單片機系統(tǒng)，采用了集成度更高的DSPTMS320LF2407A為核心檢測控制芯片。其良好的對運動控制系統(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，使系統(tǒng)的高精度成為現(xiàn)實。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)避免了計算誤差并運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。即實現(xiàn)了上位機，DSP，SST89C58之間數(shù)據(jù)共享、指令傳遞、切換控制。由于PC機不支持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。

人機交互

采用獨立模塊，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)行實時數(shù)據(jù)顯示。

上位機

上位機以USB方式與USB進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換，能實現(xiàn)全部鍵盤顯示模塊功能，并能實現(xiàn)獨立控制。

系統(tǒng)方案的框圖及其說明

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

運動控制子系統(tǒng)

因為采用的是恒速測量法，所以速度的平滑是關(guān)鍵，是力值采集的前提;是運動控制系統(tǒng)和測量采

集系統(tǒng)之間的紐帶。

在運動控制部分，揚棄了現(xiàn)有的單片機系統(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驅(qū)動器，交流伺服電機驅(qū)動器驅(qū)動電機并進(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)行電機異常轉(zhuǎn)動進(jìn)行監(jiān)測。

由于采用了松下交流伺服電機驅(qū)動器及電機，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。實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。本品運用DSP強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實現(xiàn)。因為圖形界面要求占用大量存儲空間而89C58內(nèi)部集成了32K FLASH，并可實現(xiàn)在運行中寫FLASH所以人機交互主要通過SST89C58來實現(xiàn)。上位機操作界面、數(shù)據(jù)顯示、曲線顯示及打印共同實現(xiàn)人機交互。

系統(tǒng)在關(guān)鍵技術(shù)上的創(chuàng)新

現(xiàn)有小量程抗張、抗壓試驗機產(chǎn)品均為獨立產(chǎn)品，整合為一機較少見。由于抗張與抗壓測試儀機械部分相似、電子部分相近，所以本品不僅整合了機械部分即雙絲杠橫梁結(jié)構(gòu)，而且在檢測與控制部分，揚棄了現(xiàn)有的單片機系統(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驅(qū)動器、松下伺服電機、精密光電編碼器(2500p/r)。使本品調(diào)速范圍更寬，實際達(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、抗壓材料試驗機測力的前提，也是連接運動控制系統(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+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，并且由于單片機是單字節(jié)計算，在計算精度和計算速度的權(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。本品運用DSP強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。在實際調(diào)試中抗干擾能力明顯優(yōu)于普通單片機系統(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

自動標(biāo)定

按照計量行業(yè)規(guī)定，檢驗儀器必須定期檢驗，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。