基于ADuC845的嵌入式配料稱重系統設計與實現

李牡丹 ，李麗宏，雷張偉

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

（1.華北電力大學 科技學院 動力系，保定 071051；2.太原理工大學 信息工程學院 自動化系，太原 030021；3.中國人民解放軍66382部隊，保定 074100）

0 引言

以單片機為核心技術的嵌入式系統，已經在工業過程控制中得到了廣泛應用。這些系統一般由嵌入式微處理器(CPU)、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及特定的應用程序組成，主要用于實現對設備的控制、檢測或管理等功能。配料秤作為一種動態控制型衡器，廣泛應用于冶金、煤炭、化工、建材等行業的物料配料中。它不僅要指示皮帶輸送機上所輸送物料的流量，而且還要根據輸送機上物料的流量和設定值的偏差去調整流量的大小，進而調節各種物料的配比，達到準確配比的目的[1]。本文設計了一種嵌入式配料稱重系統，以具有CAN總線接口的稱重儀表為核心，以各配料皮帶上物料流量為被控對象，通過嵌入式操作系統RTX51 Tiny，將應用程序分解為幾個獨立的任務，從而使設計開發流程大大簡化。

1 系統組成及工作原理

嵌入式配料稱重系統由上位機、調速電機、配料皮帶秤、稱重儀表、CAN總線接口等部分組成[2]。當各配料皮帶以一定的速度運行時，由各自稱重傳感器測得的重量信號和由測速傳感器測得的速度信號進入各稱重儀表，儀表對得到的數據進行運算處理后轉換為物料的瞬時流量和累計量。同時儀表對瞬時流量與設定流量進行比較，經控制算法運算后，輸出4～20mA電流信號，將其送到調速電機改變電機轉速，進而調節給料設備的給料速度，以穩定物料流量從而達到準確配料的目的[2]。CAN總線接口集成在稱重儀表中，上位機通過CAN總線和各臺稱重儀表進行通信，可實現遠程數據采集、參數調整等功能。嵌入式配料稱重系統結構如圖1所示。

2 稱重儀表硬件設計

具有CAN總線接口的稱重儀表是本系統的核心部分，設計中選用ADI公司的內嵌大容量閃存的ADuC845作為微處理器，它的內部有2個10通道的24位∑－△A/D轉換器，雙12位電壓輸出DAC和UART、I2C、SPI串行接口。

2.1 重量信號采集電路設計

圖1 嵌入式配料稱重系統結構圖

圖2 重量信號采集電路圖

本配料稱重系統中，各配料皮帶采用電阻應變片式稱重傳感器，將重量信號轉換為mV級脈動電壓信號，該信號含有各種高頻噪聲，經過濾波處理，即可濾去無用信號。在此采用了串聯RC濾波，其中電阻R=10k，電容C選0.01uF，大于1000Hz的信號通過RC進入模擬地，小于1000Hz的信號保留。由于稱重傳感器輸出的信號在0～20mV之間，不滿足ADuC845A/D模擬輸入±20mV～2.56V的要求，設計中采用了美國B-B公司的精密儀表放大器INA118， 可調增益電阻Rg選用505Ω高精密、低噪聲的金屬膜電阻，將信號放大101倍后得到差分信號AIN1+，AIN1-[4]。由于ADuC845單片機片內集成有2個24位∑－△A/D轉換器，設計中將重量差分信號AIN1+，AIN1-送入單片機P1口的P1.0，P.1.1進行A/D轉換，最終得到重量信號值。重量信號采集電路如圖2所示。

2.2 速度信號采集電路設計

圖3 速度信號采集電路圖

本設計中采用光電式測速傳感器，利用發光二極管和光敏三極管組成的光電器件EE-SX674將配料皮帶速度轉換為脈沖信號FOUT1。由于該信號中也帶有一定的高頻噪聲，因此設計中先利用RC進行低通濾波，再經過三極管Q101對信號進行放大，最后經反相器74LS14緩沖后即得到標準的TTL高低電平信號SPEED，該信號送入單片機的T0進行計數。速度信號采集電路如圖3所示。

2.3 調節信號輸出電路設計

ADuC845單片機將物料的瞬時流量信號與設定的流量信號進行比較，根據兩者偏差進行PID運算，輸出一個調節量給調速電機，來調節給料機的給料頻率，進而保持瞬時流量恒定。設計中利用單片機的DAC功能將PID調節輸出的數字量轉換為0～2.5V的模擬電壓信號，再經壓流轉換器件AM462將0～2.5V電壓轉換為4～20mA調節電流輸出。調節信號輸出電路如圖4所示。

設計中選擇R3= R304＝47K，R4由1.43K的電阻R305和量程為2K的電阻器R306串聯組成；R2 =R302=47K，R1由9.1K的電阻R301 和量程為20K的電阻器R303串聯組成。當輸入信號為零時（VINP＝0），調整電阻器R306，使輸出電流IOUT= ISET=4mA；當輸入信號為2.5V時（VINP＝2.5V），調整電阻器R303，使輸出電流IOUT=20mA 。

2.4 CAN總線接口電路設計

嵌入式配料稱重系統中，各配料皮帶上物料的流量信息及系統中的其它參數通過CAN總線接口與上位機進行通信。設計中采用了Philips公司的獨立CAN總線控制器SJA 1000，由單片機的P2.3口控制SJA1000的片選，SJA1000的XTAL1、XTAL2接至6.24MHz的晶振，確保正確復位。通過CAN總線收發器PCA82C250將輸出連接到外部總線上，完成與上位機的通信[7]。CAN總線接口電路如圖5所示。

3 系統的軟件設計

3.1 RTX51 Tiny嵌入式操作系統

圖4 調節信號輸出電路圖

配料稱重系統采用 RTX51 Tiny嵌入式操作系統，該操作系統是德國Keil公司開發的用于51系列單片機的實時多任務操作系統，可以很容易地運行在51系列單片系統及由其派生的高性能單片機上，而不需外部存儲器的支持[8]。RTX51 Tiny的內核集成在Keil 51編譯器中，很容易用Keil C51語言編寫和編譯多任務程序，便于循環任務切換。由于ADuC845單片機集成了很多資源，如62k字節的片內閃存、電可擦除程序存儲器、2k字節的可以被映射到外部地址空間的XRAM，3個定時器，可使操作系統做必要、合理的配置，從而達到性能最優和資源充分利用。

3.2 軟件任務的劃分及實現[9]

圖5 CAN總線接口電路圖

該系統中，軟件采取任務模塊化方式，完成初始化，看門狗，流量計算、校驗與標定，4～20mA調節輸出，CAN總線通信等功能。因此創建4個任務，os_creat_task (Feed_dog)，os_creat_task (Flowrate)，os_creat_task (Flowrate-tune), os_creat_task (CAN-send)。系統初始化以后，順序建立這4個任務，然后CPU進入休眠狀態。各個任務運行后即進入任務休眠狀態，等待其它任務的喚醒。相應任務被喚醒以后進行處理，完成后再次進入休眠狀態。這樣減少了任務切換，減輕了系統負擔。

4 結束語

基于ADuC845的嵌入式配料稱重系統，以ADuC845單片機為核心，RTX51 Tiny為嵌入式操作系統，成功地實現了對各臺配料皮帶上物料流量的實時調節，進而調節各種物料的配比，達到準確配比的目的。同時系統運行過程中各皮帶流量信息和各種參數通過CAN總線接口與遠程上位機進行實時快速通信，該系統性價比高，工作可靠，具有一定的實用價值和研究意義。

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