动态称重系统总体设计

1、动态称重系2.1系统的设计要求及性能拒标统总体设计匸业豹态称重系统由嵌入式称車仪农、称車來感器及机械称垂台面组成。当物料被踊加到称重台血时，安装在台面下的称更传感器将压力信号转换为徹弱电信号，传递给嵌入式称重仪表，由欷蛋仪表完成也俏号的战大、滤波"摸蠶转换.以及宜时数捋赴理，同时烙处理过的数摭通过工业通讯网络传给梵他设备.完成数据的显示记嫩、报表打印及实时监捋等工作图2为动态称重系统体系结构图称乖传感器称乖传感器数据釆集嵌入式称重仪表®2-1动态称亜系址体系给构图2AA系统的设计要求在设计实际工程项冃的总体规划时，首先要冇一个好的设计思想及止确的设计原囲h依此为依据”经过详

2、尽的需求分析.综A平衡条统中各功能訊件的性能使系统的性能达到摄优*在进行动态称麵仪表的息林St计过程中，采取了以下设计原则h(1) 系统的构成要只有一定的先进性但同时也要苇虑到现场实現的町行性*(2) 系统的提作性能要好，实用性耍强：(3) 系统工作稳定、可靠+便于检测与堆修匸(4) 系统通用性好换件、轶件均诩有一定的扩展余地*利于用户的二按开发I(5) 具有好的性能价格比"2A2系统的性能指标根据以上的设计原则，经过大量的调研和市场调査，结合现有国内外工业称重仪表性能指标充分征求了用户意见.井根期现场工作的需求*拟定了以下的主要技术性能指标：(1) 通讯接口2路串行通讯接口，包括1

3、路RS-232接口和I路RS-485接口；1路以太网接口，实现TCP/IP通讯，使仪表可以与工业以太网相连，可以通过企业网络对称重系统进行远程访问、数据共享、配置、设定、检测和维护等操作；1路USBHOST接口和1路USBDEVICE接LU(2) 图形操作界面采用彩色LCD及触摸屏，实现完整的图形操作界面(GUI),操作简单、(3) 菲态称重精度静态称重精度不低于0.】(4) 抗干扰性能振幅2mm,频率3Hz以上振动环境下称量精度不低于0.5%。(5) 响应速度阶跃信号响应时间(动态称量误差小于3%时)小于200ms。(6) 电压范围AC：220V(土】0%-15%>,50Hz；2.2系

4、统的体系结构及设计方案系统整体结构设计嵌入式动态称重仪表的硬件部分主要由嵌入式微处理器、数据采集模块、数据通讯模块和LCD显示、触摸屏等人机接口等模块组成软件部分主要包括嵌入式操作系统、数据采集、数据处理、数据传输以及系统设賈等模块.嵌入式动态称重系统的硬件与软件组成如图2-2所示。嵌入式操作系统软件硬件图2-2做入式动态称重仪表的组处在硬件设计上，本系统采用功能较强的32位條入式处理器及其硬件平台,建立实时操作系统，使称乖系统开发更容易，便于维护，提岛开发效率、便于系统的升级和移植。处理器的运算能力可以满足动念称重的数抵处理的要求。人机交B部分使用高密度点阵LCD显示器及触模屏，建立图形用户

5、界血,包含汉字字库、绘图控件、展本绘图函数等.屣于图形用户界面设计人性化的人机交互界而，各项操作直观、简洁，笹种操作提示符均可山中文显示.同时图形化的操作界面使用户可以抛开说明书进行操作，方便用户使用。通讯模块实现各冲通信接口，包括USB接口、串行通信接口和网络接口。通过网络接口实现网络化称审仪表功能，应用嵌入式网络服务器(webserver),町以通过企业网络对称璽系统进行远程访问、数据共宁、配国、设定、检测和维护等操作.在PC机上能建“个虚拟仪表终端，对实际称重仪表进行检测)能将虚拟仪表终端中配迓的参数通过Internet网络下我到实际仪农终端上。现场数施输入/输出模块用來输入衔岀各种工业

6、信号，包括模拟输入模块、模拟量输出模块、数字駅输入模块和数字呈输出模块。在左成系统硬件总体设计的基础上，进行系统软件的方案设计，系统的软件划分为以下层次和模块：(1) 系统层，包括操作系统的移植配置、硬件驱动程序；(2) 人机交互的软件模块、图形界面层；(3) 数据采集和处理模块：(4) 数据通讯模块。为满足动态称重系统的要求，需要一个实时性能好、稳定性高、启动速度快的操作系统平台。选用“C/OS-I!作为操作系统，“C/OS.II实时性好，启动时间短，但其功能不如Linux强大，需要增加网络等功能模块。而Linux操作系统功能强大，各个功能模块可以配置和剪裁，但其启动时间长，实时性相对较差，

7、不能满足本系统的需要。数据采集模块软件设计主嬰内容是，采集称重传感器的测呈数据，采用数据滤波与数据处理算法，实现动态称重。作为工业称重仪表，应充分考虑到工业现场的恶劣环境，特别注璽抗于扰性能的设计，在设计的各个环节中都应为提崗抗干扰性能而采取相应拮施.保证仪表在恶劣的工业环境中可靠运行。采集的数据需要进行数字滤波，來克服人的现场干扰，数据处理可以采用动态称電中的一些方法.采样频率耍求不小于120次/秒，并在采样的间隔完成数据处理，达到实时性要求。数据通讯模块的设计巫满足工业现场的要求，增加对工业现场总线的支持。主嬰包括串口通信和TCP/IP协议的实现.询者是工业现场总线接口，能与现场总线协议组

8、网通讯，通过RS485传输；后者用来完成自诊断并通过Internet网络进行远程诊断、维护、设置等功能.222系统硕件设计方案便件设计是围绕着嵌入式动态称璽系统的功能进厅设计的，是各通讯接口、图形用户接口和动态称重算法实现的硬件基础.系统硬件结构如图2-3所示，上要设计包括：微处理器、模拟屋输入输出、数字量输入输出、RS>485和RS-232通讯模块.以太网接口等电路。硬件系统采用核心板和底板结合的方式。图2-3系统峽件结构图核心板的结构如图24所示，核心板电路是微处理器工作的最小系统，是系统进行数据存储、数据处理以及数据通讯的核心破件部分，主耍包括S3C2410,以及相应的复位电路和系

9、统的时钟电路，存储系统和JTAG电路.其中存储系统山SDRAM、NORFlash和NANDFlash电路组成。图24ARM9核心硬件结构底板电路主要由以下几个部分组成：(1) AfD转换电路：测屍称取传感器的模拟信号，采用高精度A/D转换器件CS5532对该模拟量进行测虽。(2) D/A输出电路：用于产生模拟控制信号，采用D/A转换器件DAC8532.(3) 数字虽输入输出电路：可以作为称枣系统与现场其它设备的数字量拎制网道使用.采用光电耦合器件隔离输入输出线路，消陰电磁干扰串行通讯电路：串行通讯电路主要包括RS-485通讯电路和RS-232电虬在电路设计上采用MAX485、MAX232芯片进

10、行电平转换，其中MAX485电路需要光耦隔离.RS-485通讯电路用F系统与现场设备的通讯，RS-232主雯用來配置系统参数。(5) 以太网接口电路：采用CS8900A系统的网络接口芯片，该部分主要由以入网披口部分和以太网拎制部分构成.以太网接口部分完成称重系统与以太网找II电路的功能，控制器对所有模块均有控制作用，使整个接口电路能协调册配合人;续电路完成以太网的收发功能。(6) USB接口路：主要用來连接打印机打印数据，也可以和各种手持设签进行通信，用來设置系统参数或采集数据.(7) 触摸屏和键盘电路：是用户和系统进行交互的接口，是图形操作界血的硕件基础.用户町以通过键盘和触模屏设置各种参数

11、，同时在触模屏上显示用户需要的信息。2.23系统软件设计方案软件设计是整个称重系统设计的重要组成部分，称重系统中采用嵌入式操作系统，使系统软件具有多任务能力和模块可剪裁功能，在执行效率、程序代码暈、通讯处理能力等方面何明显优势.在完成微处理務、存储系统、数据采集、通讯接口及触摸屏接口等硬件设计的基础上.编写启动代码和底层设备驱动和T.移植“C/0S-I1嵌入式操作系统。在移植嵌入式操作系统的基础上，分别移檢i配迓“C/GUI图形用户界面及嵌入式TCP/IP协议栈Lwip.最后编写应用稈序，丈现丼个模块的具体功能，主要包括图形操作界面、TCP/IP通讯、串行通讯、数据处理(FIR滤波和动态补偿)

12、等模块.系统软件组成如图25。FIR滤波动态补偿串行通讯TCP/IP通讯uC/GUI图形界而uC/OS】I操作系统中断处理程序设备驱动程序启动代码图25系统轶件组成软件部分的设计主要有：(1) 硬件系统启动代码的实现.启动代码杲系统上电复位后最先执行的部分，完成对于系统的初始化丁作，采用基于ARM核的汇编语言编写.它主耍实现向呈表定义、堆栈初始化、系统变量的初始化、中断系统初始化、I/O初始化、外围初始化、地址映射等操作.(2) “C/0SJ1嵌入式操作系统的移槓。/zC/OS-II的移植主要任务是重新编弓与处理器和编译器相关的代码，这些代码包括：与编译器相关的数据类型的重定义、开关中断的代码

13、、堆栈的增长方向、任务堆战初始化函数、任务切换函数等等。*(3) 图形操作界血.主要包括“C/GUI的移槓，称审系统各个界而的设计和实现，及健盘处理等功能。(4) 数据处理：包括模拟虽采集和开关星采集，模拟虽采集主要指启动CS5532进行模拟虽到数字盘的转换.检测到转换结束时，将转换结果保存到数据缓冲区，实现动态称重算法，即FIR滤波算法和动态补偿算法的实现。(5) 串行通信：串口驱动模块完成对串【的操作，实现对串口的初始化，包括数据位、停止位、波特率设置，初始化向址中断控制器，向上层提供垂木的数据传输服务，上层可调用读写函数进行数据的收发。TCP通信：这部分主要完成的功能有，实现以太网芯片CS8900A