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基于DSP的智能微控电子式纸张抗张抗压试验机

日期:2015年7月9日 18:32
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在涉及到纸张检测的行业,诸如造纸、卷烟行业都需要对纸张的抗张、抗压进行高精度的测量。传统方法为提高力值测量精度仅提高传感器精度和A/D转换器的位数,虽然有一定的效果,但是由于受到电路结构、噪声干扰等诸多因素的影响达到一定精度就很难在有所提高,无法达到其行业标准(QB/T1670-92《微控电子式抗张强度试验机》)中规定的0级(0.5%)精度。
现在的智能微控电子式纸张抗张抗压试验机,不仅解决了目前产品的力值精度不高,而且抓住抗张试验机与抗张试验机机械与电子部分均相似的特点将二者有机整合,合而为一为用户和企业节约了大量成本。电子式的纸张抗张抗压试验机要达到的性能与精度要求符合以上标准的高精度级别:0级(0.5%)
系统方案及原则系统架构
以高性能的DSP芯片TMS320LF2407A为核心进行运动控制与检测运算的系统,以SST89C58为核心的键盘与液晶显示模块的双CPU系统。双CPU之间以串行方式进行通讯,并制定了与上位机之间的三方通讯协议,实践证明该协议高效实用。即由DSP通过USB接口与上位机(PC)相连实现上位机与键盘切换控制,并分别由上位机或DSP打印速据或曲线。
功能实现
系统的功能主要包括以下几部分:
运动系统的控制与位移的准确测量
在检测与控制部分,扬弃了现有的单片机系统,采用了集成度更高的DSP TMS320LF2407A为核心检测控制芯片。其良好的对运动控制系统的硬件支持,具有硬件QEP、PWM等模块,并使用精密光电编码器(2500p/r)、交流伺服驱动器,使本品调速范围要比现有产品更宽(0.1~200.0mm/min无级可调),位移更精确(0.01mm)。
力传感器微弱信号的检测与采集
采用高精度拉压力传感器。精度:1.9585mv /v(抗压)、3.0025 mv /v (抗张),保证了信号源的灵敏度。使用16位D/A转换器为力传感器提供16位动态分辨率的幅值可调的激励电压,减少了电压波动对传感器的影响,从根本上提高系统精度成为可能。采用Σ-Δ24位A/D转换器(CS5532)确保了精确的传感器信号能有效的转换为精确的数字信号。并且Σ-Δ结构相比双积分结构的A/D对系统的白噪声抗干扰能力更强,使系统的高精度成为现实。利用16位DSP2407A全面支持标准C的各种数据类型,在精度范围内避免了计算误差并运用分段线性插值技术进一步提高了传感器线性程度。即进一步提高了系统力值检测精度,达到0.2%。实践证明本系统的检测方法明显优于现有市场产品的1%力值精度。
数据的通讯
本系统的数据通讯较多,也是在软件编写中工程量较大的部分之一。定义了一个完整、高效的三方通讯协议。即实现了上位机,DSP,SST89C58之间数据共享、指令传递、切换控制。由于PC机不支持485通讯、通讯的数据量适中、距离较短,所以其中数据采集DSP部分和上位机的联结采用USB结构。而DSP与SST89C58之间的联结采用485通讯。
人机交互
采用独立模块,即以SST89C58为核心的4×4行列扫描键盘、320×240图形液晶显示。通过串行通讯与DSP进行实时数据显示。
上位机
上位机以USB方式与USB进行实时数据交换,能实现全部键盘显示模块功能,并能实现独立控制。
系统方案的框图及其说明
系统由运动控制子系统、测量采集子系统、人机交互子系统、上位机等若干个子系统有机构成,采用的是恒速测量法。
运动控制子系统
因为采用的是恒速测量法,所以速度的平滑是关键,是力值采集的前提;是运动控制系统和测量采
集系统之间的纽带。
在运动控制部分,扬弃了现有的单片机系统,采用了集成度更高的DSP TMS320LF2407A为核心检测控制芯片。由DSP发出PWM信号至交流伺服电机驱动器,交流伺服电机驱动器驱动电机并进行闭环调速,DSP不进行管理。同时,伺服器将光电编码器的正交编码脉冲信号至DSP的QEP模块触发定时器进行脉冲计数,从而对夹头位移进行精确测量。并由扑获模块对编码器ZERO进行电机异常转动进行监测。
由于采用了松下交流伺服电机驱动器及电机,不仅使调速范围更宽,速度更精确(达到1%精度),而且使调速更容易控制,速度平滑度更高。速度容易控制仅使DSP有更充裕的时间进行数据处理。
测量采集子系统
采用大量程,高精度的力传感器(精度在0.001mv)于现有产品的测力传感器精度持平。在传感器相同的条件下对原系统进行了有效的改进,即使用16位D/A转换器为力传感器提供16位动态精度幅值可调的激励电压,减少了电压波动对传感器的影响,并且该激励电压提供方法通用性很强。实践证明的确大幅度提高了系统精度。现有的该仪器多采用双积分型A/D转换器,转换精度不高,并且对共模干扰抑制能力不高。本系统采用的是DSP+Σ-Δ24位A/D转换(CS5532),不仅确保了传感器信号能有效的转换为精确的数字信号,而且DSP具有对高级语言的良好支持(全面支持标准C的各种数据类型)使运算精度远高于系统的测量精度。这才使本品大幅提高了系统力检测精度。本品运用DSP强大的指令处理能力应用分段线性插值技术进一步提高了传感器线性程度。即进一步提高了系统精度。
人机交互
采用4×4行列扫描键盘、320×240图形界面液晶显示部分由SST89C58实现。因为图形界面要求占用大量存储空间而89C58内部集成了32K FLASH,并可实现在运行中写FLASH所以人机交互主要通过SST89C58来实现。上位机操作界面、数据显示、曲线显示及打印共同实现人机交互。
系统在关键技术上的创新
现有小量程抗张、抗压试验机产品均为独立产品,整合为一机较少见。由于抗张与抗压测试仪机械部分相似、电子部分相近,所以本品不仅整合了机械部分即双丝杠横梁结构,而且在检测与控制部分,扬弃了现有的单片机系统,采用了集成度更高的DSP TMS320LF2407A为核心检测控制芯片。故将二者有机整合,可以节省大量成本,为提高系统精度追加更大的成本。
现有的此类仪器开创采用了集成度更高的DSP TMS320LF2407A为核心检测控制芯片,其良好的对运动控制系统的硬件支持,具有硬件QEP、PWM 等模块,并使用松下交流伺服电机驱动器、松下伺服电机、精密光电编码器(2500p/r)。使本品调速范围更宽,实际达到0.1~200.0mm/min无级可调,而目前产品多为2~200mm/min无级可调;位移更精确(0.01mm国标规定高标准);速度平滑度更高。速度平滑度是抗张、抗压材料试验机测力的前提,也是连接运动控制系统和测量检测系统的纽带。
采用大量程,高精度的力传感器(精度在0.001mv)与现有产品的测力传感器精度持平。但本品在传感器相同的条件下对传感器的使用上进行了有效的改进,即使用16位D/A转换器(LT1655)+高精度功放(LT1010)为力传感器提供16位动态精度幅值可调的激励电压,减少了激励电压波动对传感器的影响,不仅从根本上使提高系统精度成为可能,而且加强了系统对不同传感器的支持能力。
现有的该仪器多采用8位单片机+多双积分型12位A/D转换器,转换精度与抗共模干扰能力不高,并且由于单片机是单字节计算,在计算精度和计算速度的权衡上左右为难。本系统采用的是DSP+Σ-Δ24位A/D转换器(CS5532)。不仅确保了精确的传感器信号能有效的转换为精确的数字信号,而且DSP具有对高级语言的良好支持(全面支持标准C的各种数据类型)使运算精度远高于系统的测量精度。这才使本品大幅提高了系统力检测精度。本品运用DSP强大的指令处理能力应用分段线性插值技术进一步提高了传感器线性程度。即进一步提高了系统精度。在系统可靠性方面,本品采用DSP系统架构较现有单片机系统架构去除了大量外围设备,提高了系统的可靠性。在实际调试中抗干扰能力明显优于普通单片机系统。
本品在功能上也进行了大量的智能化、人性化的设计
自动标定
按照计量行业规定,检验仪器必须定期检验,本系统首次提出自动标定功能,并在该品上应用。原理既是:系统将与标定相关的参数存于可擦写的FLASH中,DSP读取满量程50%的砝码的重力,将测取值做参照,从新标定,将标定后参数存于FLASH中。即完成自动标定。
自动测量
现有产品在测量时,首先要求用上升、下降键将纸张微调至似紧非紧的临界状态,即测位移的要求。本品在软件上处理,不需要如上操作。

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