1速度測量

　　目前在以光電編碼器構(gòu)成的測速系統(tǒng)中，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量方法有三種： M法（頻率法）、T法（周期法）、M / T法（頻率/周期法）。M法是在既定的檢測時間內(nèi)，根據(jù)測量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速； T法是根據(jù)測量相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間來確定轉(zhuǎn)速； M / T法是根據(jù)同時測量檢測時間和在該時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速，能實現(xiàn)很寬的速度范圍內(nèi)等精度的速度測量。

　　筆者所設(shè)計的控制儀表中轉(zhuǎn)速測量采用M/ T法。

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

　　轉(zhuǎn)速測量電路的實現(xiàn)，可以采用單片機，但是實現(xiàn)M / T法測速，要占用3路計數(shù)器，而單片機片內(nèi)資源有限；再者為了減少測速時間，應(yīng)提高標準時鐘脈沖頻率，這又受到了單片機最高計數(shù)頻率的限制。

　　所以采用CPLD器件和單片機共同組成測速模塊。

　　轉(zhuǎn)速測量電路主要由以下3部分組成：

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

　　等精度測速的實現(xiàn)方法可以簡單地用1和2來說明。1中，預(yù)置門信號TSET由單片機發(fā)出， T SET的時間寬度對測量精度的影響較小，這里設(shè)其寬度為T pr.FS是標準頻率信號輸入端， FX是測速碼盤脈沖信號的輸入端，這2路信號分別輸入到2個可控的16位高速計數(shù)器中。計數(shù)器的計數(shù)允許端ENA高電平有效，設(shè)標準信號頻率為F s，測速信號的頻率為Fx.

　　測速開始前，先發(fā)出一個清零信號CLR，將2個計數(shù)器和D觸發(fā)器置0，然后由單片機發(fā)出允許測頻的命令，即令預(yù)置門信號T SET為高電平（將和聯(lián)系起來看） ，這時D觸發(fā)器要一直等到被測速度信號的上升沿通過時， Q端才被置1 （即STA RT端變?yōu)楦唠娖剑?，與此同時，將同時啟動2個計數(shù)器開始計數(shù)。

　　在此期間， 2個計數(shù)器分別但同時對被測速度信號（頻率為Fx）和標準頻率信號（頻率為F s）計數(shù)。當時間到Tpr后，預(yù)置門信號T SET被單片機置為低電平，但此時2個計數(shù)器仍沒有停止計數(shù)，一直等到隨后而至的被測速度信號的脈沖上升沿到來時，才通過D觸發(fā)器將這2個計數(shù)器同時關(guān)閉。由可見， TSET信號的寬度和發(fā)生的時間都不會影響計數(shù)使能信號START，允許計數(shù)的周期總是恰好等于被測速度信號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出現(xiàn)的時間造成的誤差最多只有F s信號的1個周期，如果F s由精確穩(wěn)定的晶體振蕩器（ 10 MHz）發(fā)出，則任何時刻的絕對測量誤差只有10 - 7s.

　　設(shè)在1次預(yù)置門時間T pr中，被測速度信號計數(shù)值為N x，標準信號的計數(shù)值為N s，則有：F x / N x = F s / N s（ 1）測得的轉(zhuǎn)速頻率為F x = （F s / N s）N x（ 2）測速輪轉(zhuǎn)速為n = F x / P（ 3）式中： P為測速光電編碼器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為測速輪半徑， m.

　　最后通過控制SEL選擇信號和32位到8位的多路轉(zhuǎn)換器M AX32-8（見1） ，將2個計數(shù)器中的2個16位的計數(shù)值分4次讀入單片機，再按（ 4）式計算出帶速。

　　用1片ALT RA的CPLD電路EPS7064，在片內(nèi)設(shè)置2個相同的獨立16位計數(shù)器（ COU NT0、COUNT 1）。每個計數(shù)器都有自己的時鐘輸入CLK、計數(shù)器輸出OUT和門控信號GAT E，通過編程設(shè)置工作方式。當GATE端為高電平時，允許計數(shù)；當GATE端為低電平時，禁止計數(shù)。采用MAX PLU S II EDA開發(fā)平臺，利用其功能元件庫中的計數(shù)器IP模塊，編程方便。這種方案的優(yōu)點是可以減輕CPU的負擔(dān)，減少對CPU內(nèi)部資源的占用。

　　2荷重檢測

　　影響膠帶秤計量精度的另一個主要因素是荷重的動態(tài)檢測。由于膠帶秤一般處于長期連續(xù)的工作狀態(tài)，在信號的放大、A/ D轉(zhuǎn)換通道設(shè)計中，穩(wěn)定性和抗干擾性能是首先要考慮的問題。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)換的實現(xiàn)。基于穩(wěn)定性的考慮，選用V/ F電壓/頻率轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)A/ D轉(zhuǎn)換，并對其常規(guī)用法作了改進。本設(shè)計選用V/ F轉(zhuǎn)換器中高性能芯片AD652.該芯片采用外部時鐘控制，消除了內(nèi)部時鐘方式中阻容器件的穩(wěn)定性對精度的影響。該芯片的最高輸出頻率可達2 MHz，非線性誤差僅為0. 002%.

　　用V/ F轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的A/ D轉(zhuǎn)換可以達到非常高的分辨率，但這是以犧牲時間為代價的。可估算一下，如采用1 M輸出的V/ F轉(zhuǎn)換器，就是1 s輸出1 000 K計數(shù)值， 1 ms輸出1 K計數(shù)值，近似于10位A/ D轉(zhuǎn)換值。10 ms輸出10 K計數(shù)值， 50 ms輸出為50 K計數(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了新的問題，用V/ F轉(zhuǎn)換器完成A/ D轉(zhuǎn)換，需要1個定時器和1個計數(shù)器，計數(shù)器的計數(shù)頻率限制了V/ F器件輸出頻率的提高。如果采用51系列單片機內(nèi)部的計數(shù)器，計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為單片機工作頻率的1/ 24，如采用12 M Hz的晶振，它的最高計數(shù)頻率只能達到0. 5 M ，所以采用CPLD器件組成高速計數(shù)器，對AD652輸出的1 M脈沖進行計數(shù)。

　　AD652的最高輸出頻率可達2 M ，選用1 M的頻率是出于對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法測速中還可得到如下啟發(fā)，即直接采用和測速環(huán)節(jié)相同的硬件邏輯，將測速信號換成V/ F轉(zhuǎn)換器AD652的輸出脈沖信號，在數(shù)據(jù)處理上也和測速中的頻率測量方法相同。按（ 2）式計算出被測頻率。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準頻率源，測量周期Tpr設(shè)定為10 ms，也就是A/ D轉(zhuǎn)換的時間，完成16位的A/ D轉(zhuǎn)換，絕對測量頻率誤差只有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

　　電子膠帶秤在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用時，往往作為測控系統(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。對于配料秤，要將PID調(diào)節(jié)器的輸出控制信號傳輸?shù)侥z帶驅(qū)動電動機的變頻器，以控制膠帶的瞬時流量跟隨設(shè)定值；對于計量秤，要輸出和流量成線性關(guān)系的電流模擬信號，作為其它控制設(shè)備的輸入控制信號。對模擬量輸出接口的要求，一個是精度的要求，另一個是可靠性的要求。

　　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)場的干擾信號污染到儀表。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一步的提高，而成本得到了降低，同時給設(shè)計提供了更多的方便性和靈活性。如近年來串行ADC和DAC越來越多地應(yīng)用于計算機測控系統(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隔離的成本，可以淘汰昂貴的模擬信號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)線和時鐘線還可和其它同類型接口芯片共用，只用3個數(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，最大串行時鐘頻率為14 MHz，數(shù)字更新頻率為877 kHz.

　　AD 694是單片大信號輸入電壓/電流變換器。

　　電流輸出可以設(shè)置成標準的4 20 mA環(huán)路電流，其輸入可通過對管腳的不同連接來實現(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AD694片內(nèi)又可提供M AX538需要的2 V參考電壓，所以2個芯片共同使用可以配合得非常好，電路簡捷，不須調(diào)試就可達到很高的精度。

　　4儀表結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

　　電子膠帶秤往往作為計量或配比控制系統(tǒng)中的一個組成部分，安裝在工業(yè)現(xiàn)場，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，遠則數(shù)百米。因此，傳感器和控制信號的傳輸是必須要考慮的一個問題。

　　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、測速傳感器信號和變頻器速度給定信號，每臺膠帶秤需要遠距離傳送的信號線路為3對。而筆者設(shè)計的儀表采用分體式結(jié)構(gòu)，將儀表的測量控制部分和人機界面分開，將儀表的控制部分放在現(xiàn)場的秤體旁邊，做成一個密閉的機箱，這部分除了沒有人機操作界面外，是一個完整的可以獨立工作的膠帶秤控制系統(tǒng)。它的計量數(shù)值通過RS485數(shù)字通信接口遠傳到集中控制室內(nèi)的儀表或計算機，現(xiàn)場只完成數(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電子膠帶秤，遠傳信號線也只有1對，傳送距離比電流環(huán)方式更遠，也簡化了設(shè)計、降低了成本，便于維護。

　　5結(jié)語

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

　　【中國糧油儀器在線】部分信息來自互聯(lián)網(wǎng)，力求安全及時、準確無誤，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)對其觀點贊同或?qū)ζ湔鎸嵭载撠?zé)。