1速度測(cè)量

　　目前在以光電編碼器構(gòu)成的測(cè)速系統(tǒng)中，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有三種： M法（頻率法）、T法（周期法）、M / T法（頻率/周期法）。M法是在既定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，根據(jù)測(cè)量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速； T法是根據(jù)測(cè)量相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來(lái)確定轉(zhuǎn)速； M / T法是根據(jù)同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在該時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速，能實(shí)現(xiàn)很寬的速度范圍內(nèi)等精度的速度測(cè)量。

　　筆者所設(shè)計(jì)的控制儀表中轉(zhuǎn)速測(cè)量采用M/ T法。

　　專門(mén)介紹和分析M/ T法原理的文章很多，這里只作簡(jiǎn)單介紹，著重介紹一下具體電路的實(shí)現(xiàn)。

　　轉(zhuǎn)速測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)，可以采用單片機(jī)，但是實(shí)現(xiàn)M / T法測(cè)速，要占用3路計(jì)數(shù)器，而單片機(jī)片內(nèi)資源有限；再者為了減少測(cè)速時(shí)間，應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率，這又受到了單片機(jī)最高計(jì)數(shù)頻率的限制。

　　所以采用CPLD器件和單片機(jī)共同組成測(cè)速模塊。

　　轉(zhuǎn)速測(cè)量電路主要由以下3部分組成：

　�。� 1）信號(hào)整形電路：用于待測(cè)速度信號(hào)的放大和整形，以便作為CPLD器件的輸入信號(hào)；（ 2）測(cè)頻電路：測(cè)速的核心電路模塊，由CPLD器件擔(dān)任；（ 3）單片機(jī)電路模塊：用于控制CPLD的測(cè)頻操作和速度的計(jì)算，單片機(jī)的P0口直接讀取測(cè)試數(shù)據(jù)， P2口向CPLD發(fā)控制命令。

　　等精度測(cè)速的實(shí)現(xiàn)方法可以簡(jiǎn)單地用1和2來(lái)說(shuō)明。1中，預(yù)置門(mén)信號(hào)TSET由單片機(jī)發(fā)出， T SET的時(shí)間寬度對(duì)測(cè)量精度的影響較小，這里設(shè)其寬度為T(mén) pr.FS是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)輸入端， FX是測(cè)速碼盤(pán)脈沖信號(hào)的輸入端，這2路信號(hào)分別輸入到2個(gè)可控的16位高速計(jì)數(shù)器中。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)允許端ENA高電平有效，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率為F s，測(cè)速信號(hào)的頻率為Fx.

　　測(cè)速開(kāi)始前，先發(fā)出一個(gè)清零信號(hào)CLR，將2個(gè)計(jì)數(shù)器和D觸發(fā)器置0，然后由單片機(jī)發(fā)出允許測(cè)頻的命令，即令預(yù)置門(mén)信號(hào)T SET為高電平（將和聯(lián)系起來(lái)看） ，這時(shí)D觸發(fā)器要一直等到被測(cè)速度信號(hào)的上升沿通過(guò)時(shí)， Q端才被置1 （即STA RT端變?yōu)楦唠娖剑?，與此同時(shí)，將同時(shí)啟動(dòng)2個(gè)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。

　　在此期間， 2個(gè)計(jì)數(shù)器分別但同時(shí)對(duì)被測(cè)速度信號(hào)（頻率為Fx）和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)（頻率為F s）計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)間到Tpr后，預(yù)置門(mén)信號(hào)T SET被單片機(jī)置為低電平，但此時(shí)2個(gè)計(jì)數(shù)器仍沒(méi)有停止計(jì)數(shù)，一直等到隨后而至的被測(cè)速度信號(hào)的脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，才通過(guò)D觸發(fā)器將這2個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉。由可見(jiàn)， TSET信號(hào)的寬度和發(fā)生的時(shí)間都不會(huì)影響計(jì)數(shù)使能信號(hào)START，允許計(jì)數(shù)的周期總是恰好等于被測(cè)速度信號(hào)F x的完整周期數(shù)，這是確保F x在任何頻率條件下都能保持恒定精度的關(guān)鍵。而且， T SET寬度的改變以及隨機(jī)出現(xiàn)的時(shí)間造成的誤差最多只有F s信號(hào)的1個(gè)周期，如果F s由精確穩(wěn)定的晶體振蕩器（ 10 MHz）發(fā)出，則任何時(shí)刻的絕對(duì)測(cè)量誤差只有10 - 7s.

　　設(shè)在1次預(yù)置門(mén)時(shí)間T pr中，被測(cè)速度信號(hào)計(jì)數(shù)值為N x，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為N s，則有：F x / N x = F s / N s（ 1）測(cè)得的轉(zhuǎn)速頻率為F x = （F s / N s）N x（ 2）測(cè)速輪轉(zhuǎn)速為n = F x / P（ 3）式中： P為測(cè)速光電編碼器1周的脈沖數(shù)。將轉(zhuǎn)速n折算成膠帶的線速度為v = 2 rn = 2 rF s N x N s P（ m/ s）（ 4）式中： r為測(cè)速輪半徑， m.

　　最后通過(guò)控制SEL選擇信號(hào)和32位到8位的多路轉(zhuǎn)換器M AX32-8（見(jiàn)1） ，將2個(gè)計(jì)數(shù)器中的2個(gè)16位的計(jì)數(shù)值分4次讀入單片機(jī)，再按（ 4）式計(jì)算出帶速。

　　用1片ALT RA的CPLD電路EPS7064，在片內(nèi)設(shè)置2個(gè)相同的獨(dú)立16位計(jì)數(shù)器（ COU NT0、COUNT 1）。每個(gè)計(jì)數(shù)器都有自己的時(shí)鐘輸入CLK、計(jì)數(shù)器輸出OUT和門(mén)控信號(hào)GAT E，通過(guò)編程設(shè)置工作方式。當(dāng)GATE端為高電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)；當(dāng)GATE端為低電平時(shí)，禁止計(jì)數(shù)。采用MAX PLU S II EDA開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用其功能元件庫(kù)中的計(jì)數(shù)器IP模塊，編程方便。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以減輕CPU的負(fù)擔(dān)，減少對(duì)CPU內(nèi)部資源的占用。

　　2荷重檢測(cè)

　　影響膠帶秤計(jì)量精度的另一個(gè)主要因素是荷重的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。由于膠帶秤一般處于長(zhǎng)期連續(xù)的工作狀態(tài)，在信號(hào)的放大、A/ D轉(zhuǎn)換通道設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定性和抗干擾性能是首先要考慮的問(wèn)題。因此，放大電路選用了自穩(wěn)零斬波放大器ICL7650.這里著重討論膠帶秤儀表中A/ D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)�；�于穩(wěn)定性的考慮，選用V/ F電壓/頻率轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)A/ D轉(zhuǎn)換，并對(duì)其常規(guī)用法作了改進(jìn)。本設(shè)計(jì)選用V/ F轉(zhuǎn)換器中高性能芯片AD652.該芯片采用外部時(shí)鐘控制，消除了內(nèi)部時(shí)鐘方式中阻容器件的穩(wěn)定性對(duì)精度的影響。該芯片的最高輸出頻率可達(dá)2 MHz，非線性誤差僅為0. 002%.

　　用V/ F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的A/ D轉(zhuǎn)換可以達(dá)到非常高的分辨率，但這是以犧牲時(shí)間為代價(jià)的�？晒浪阋幌�，如采用1 M輸出的V/ F轉(zhuǎn)換器，就是1 s輸出1 000 K計(jì)數(shù)值， 1 ms輸出1 K計(jì)數(shù)值，近似于10位A/ D轉(zhuǎn)換值。10 ms輸出10 K計(jì)數(shù)值， 50 ms輸出為50 K計(jì)數(shù)，接近16位A/ D轉(zhuǎn)換值： 65 535.

　　由此看出要提高A/ D的轉(zhuǎn)換速率，只有提高V/ F轉(zhuǎn)換器的頻率輸出值。提高輸出頻率又帶來(lái)了新的問(wèn)題，用V/ F轉(zhuǎn)換器完成A/ D轉(zhuǎn)換，需要1個(gè)定時(shí)器和1個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率限制了V/ F器件輸出頻率的提高。如果采用51系列單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率為單片機(jī)工作頻率的1/ 24，如采用12 M Hz的晶振，它的最高計(jì)數(shù)頻率只能達(dá)到0. 5 M ，所以采用CPLD器件組成高速計(jì)數(shù)器，對(duì)AD652輸出的1 M脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

　　AD652的最高輸出頻率可達(dá)2 M ，選用1 M的頻率是出于對(duì)V/ F輸出線性的考慮。

　　上面分析了提高A/ D轉(zhuǎn)換速度從硬件上的考慮，從上述M/ T法測(cè)速中還可得到如下啟發(fā)，即直接采用和測(cè)速環(huán)節(jié)相同的硬件邏輯，將測(cè)速信號(hào)換成V/ F轉(zhuǎn)換器AD652的輸出脈沖信號(hào)，在數(shù)據(jù)處理上也和測(cè)速中的頻率測(cè)量方法相同。按（ 2）式計(jì)算出被測(cè)頻率。這樣在保證轉(zhuǎn)換精度的前提下，使由V/ F變換器組成的A/ D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度得以提高。如采用10 M Hz的高精度晶振作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源，測(cè)量周期Tpr設(shè)定為10 ms，也就是A/ D轉(zhuǎn)換的時(shí)間，完成16位的A/ D轉(zhuǎn)換，絕對(duì)測(cè)量頻率誤差只有10- 7 s，而轉(zhuǎn)換速度比傳統(tǒng)的算法提高了5倍。

　　3輸出通道設(shè)計(jì)

　　電子膠帶秤在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，往往作為測(cè)控系統(tǒng)或配料系統(tǒng)的一部分。這就要求控制儀表不但要有顯示輸出，還要由和其它系統(tǒng)相連接的數(shù)字量和模擬量輸出接口。電子膠帶秤控制儀表的模擬量輸出通道，通常為0 10 mA或4 20 mA的電流輸出形式。對(duì)于配料秤，要將PID調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)傳輸?shù)侥z帶驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的變頻器，以控制膠帶的瞬時(shí)流量跟隨設(shè)定值；對(duì)于計(jì)量秤，要輸出和流量成線性關(guān)系的電流模擬信號(hào)，作為其它控制設(shè)備的輸入控制信號(hào)。對(duì)模擬量輸出接口的要求，一個(gè)是精度的要求，另一個(gè)是可靠性的要求。

　　在智能化儀表中，由于采用了以CPU為核心的數(shù)字化處理技術(shù)，儀表的輸出通道要完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。為了滿足可靠性的要求，輸出通道要采用隔離技術(shù)，以防止現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)污染到儀表。盡管DAC和電壓電流變送技術(shù)早已廣泛地應(yīng)用在儀表中，但隨著IC技術(shù)的發(fā)展，各種新的、更有特色的專用IC芯片的出現(xiàn)，使輸出通道的性能得到了進(jìn)一步的提高，而成本得到了降低，同時(shí)給設(shè)計(jì)提供了更多的方便性和靈活性。如近年來(lái)串行ADC和DAC越來(lái)越多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集中，這種芯片將傳統(tǒng)的CPU數(shù)據(jù)總線連接減少到2 3根CPU口線。這就大大降低了信號(hào)隔離的成本，可以淘汰昂貴的模擬信號(hào)隔離放大器或線性光隔，代之以便宜的數(shù)字光隔。

　　用SPI接口的DAC芯片MAX538和V / I變送芯片AD694組成的模擬輸出通道如所示。和CPU的連接只需3根口線，其中的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線還可和其它同類型接口芯片共用，只用3個(gè)數(shù)字光隔即可完成隔離，成本很低。

　　MAX538是單電源、低功耗、電壓輸出12位串行DAC，具有8引腳DIP/ SO封裝，最大串行時(shí)鐘頻率為14 MHz，數(shù)字更新頻率為877 kHz.

　　AD 694是單片大信號(hào)輸入電壓/電流變換器。

　　電流輸出可以設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)的4 20 mA環(huán)路電流，其輸入可通過(guò)對(duì)管腳的不同連接來(lái)實(shí)現(xiàn)0 2 V、0 10 V等范圍的變換。該芯片具有很高的線性度，僅有0. 002%的典型非線性度。

　　M AX538的滿度輸出電壓為2 V，而AD694可以接成2 V輸入，同時(shí)AD694片內(nèi)又可提供M AX538需要的2 V參考電壓，所以2個(gè)芯片共同使用可以配合得非常好，電路簡(jiǎn)捷，不須調(diào)試就可達(dá)到很高的精度。

　　4儀表結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

　　電子膠帶秤往往作為計(jì)量或配比控制系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分，安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，而膠帶秤控制儀表一般要安裝在集中控制室中。兩者之間的距離近則數(shù)十米，遠(yuǎn)則數(shù)百米。因此，傳感器和控制信號(hào)的傳輸是必須要考慮的一個(gè)問(wèn)題。

　　傳統(tǒng)的方法是采用電流環(huán)的方式傳送荷重傳感器信號(hào)、測(cè)速傳感器信號(hào)和變頻器速度給定信號(hào)，每臺(tái)膠帶秤需要遠(yuǎn)距離傳送的信號(hào)線路為3對(duì)。而筆者設(shè)計(jì)的儀表采用分體式結(jié)構(gòu)，將儀表的測(cè)量控制部分和人機(jī)界面分開(kāi)，將儀表的控制部分放在現(xiàn)場(chǎng)的秤體旁邊，做成一個(gè)密閉的機(jī)箱，這部分除了沒(méi)有人機(jī)操作界面外，是一個(gè)完整的可以獨(dú)立工作的膠帶秤控制系統(tǒng)。它的計(jì)量數(shù)值通過(guò)RS485數(shù)字通信接口遠(yuǎn)傳到集中控制室內(nèi)的儀表或計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)只完成數(shù)據(jù)的顯示和膠帶秤工作參數(shù)的設(shè)定。這種方案即使有十幾臺(tái)電子膠帶秤，遠(yuǎn)傳信號(hào)線也只有1對(duì)，傳送距離比電流環(huán)方式更遠(yuǎn)，也簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)、降低了成本，便于維護(hù)。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　以上介紹的膠帶秤控制儀表的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，均已在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用，并取得了良好的效果。

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