基于DSP的智能微控電子式紙張抗張抗壓試驗機

 在涉及到紙張(zhang)檢(jian)測的(de)行(xing)業，諸如(ru)造紙、卷(juan)煙行(xing)業都需要對紙張(zhang)的(de)抗張(zhang)、抗壓(ya)進行(xing)高(gao)(gao)精(jing)(jing)度的(de)測量。傳統方法(fa)為(wei)提(ti)高(gao)(gao)力值測量精(jing)(jing)度僅提(ti)高(gao)(gao)傳感器(qi)精(jing)(jing)度和A/D轉換器(qi)的(de)位數，雖然(ran)有(you)一(yi)定(ding)(ding)的(de)效果，但是由(you)于受到電路結構(gou)、噪聲干擾等諸多因素的(de)影響達到一(yi)定(ding)(ding)精(jing)(jing)度就很難在有(you)所提(ti)高(gao)(gao)，無法(fa)達到其行(xing)業標準(zhun)(QB/T1670-92《微控電子式抗張(zhang)強度試驗(yan)機》)中(zhong)規(gui)定(ding)(ding)的(de)0級(ji)(0.5%)精(jing)(jing)度。

         現在的(de)(de)(de)(de)智能(neng)微控電子式紙(zhi)(zhi)張抗(kang)張抗(kang)壓(ya)(ya)試驗(yan)機(ji)，不僅解決了目前產品(pin)的(de)(de)(de)(de)力(li)值(zhi)精度不高(gao)，而且抓(zhua)住抗(kang)張試驗(yan)機(ji)與抗(kang)張試驗(yan)機(ji)機(ji)械與電子部分均相似的(de)(de)(de)(de)特點將(jiang)二者有機(ji)整合(he)，合(he)而為一為用戶和企業節約了大量(liang)成本。電子式的(de)(de)(de)(de)紙(zhi)(zhi)張抗(kang)張抗(kang)壓(ya)(ya)試驗(yan)機(ji)要(yao)達到的(de)(de)(de)(de)性能(neng)與精度要(yao)求符合(he)以(yi)上標準的(de)(de)(de)(de)最(zui)高(gao)精度級別(bie)：0級(0.5%)

系統方案及原則系統架構
以高性能的DSP芯片TMS320LF2407A為核心進行運動控制與檢測運算的系統，以SST89C58為核心的鍵盤與液晶顯示模塊的雙CPU系統。雙CPU之間以串行方式進行通訊，并制定了與上位機之間的三方通訊協議，實踐證明該協議高效實用。即由DSP通過USB接口與上位機(PC)相連實現上位機與鍵盤切換控制，并分別由上位機或DSP打印速據或曲線。
功能實現

系統的功能(neng)主要包括以(yi)下幾部分：

運動系統的控制與位移的準確測量在檢測與(yu)控制(zhi)部分，揚(yang)棄了(le)現有(you)的(de)(de)單片機系(xi)統(tong)，采用(yong)了(le)集成(cheng)度更(geng)高的(de)(de)DSP TMS320LF2407A為核心檢測控制(zhi)芯片。其(qi)良好的(de)(de)對運(yun)動(dong)控制(zhi)系(xi)統(tong)的(de)(de)硬件支(zhi)持，具(ju)有(you)硬件QEP、PWM等模塊，并使用(yong)精密光電編碼器(2500p/r)、交(jiao)流伺服驅(qu)動(dong)器，使本(ben)品(pin)調速范圍要(yao)比現有(you)產品(pin)更(geng)寬(0.1～200.0mm/min無級可(ke)調),位移更(geng)精確(0.01mm)。

力傳感器微弱信號的檢測與采集采用(yong)(yong)高精(jing)度(du)拉壓(ya)(ya)力(li)傳感器(qi)。精(jing)度(du)：1.9585mv /v(抗(kang)壓(ya)(ya))、3.0025 mv /v (抗(kang)張)，保證了信(xin)號源的(de)靈敏度(du)。使用(yong)(yong)16位(wei)(wei)D/A轉換器(qi)為(wei)力(li)傳感器(qi)提供(gong)16位(wei)(wei)動(dong)態分辨率的(de)幅值(zhi)(zhi)可調的(de)激勵電壓(ya)(ya)，減(jian)少了電壓(ya)(ya)波(bo)動(dong)對傳感器(qi)的(de)影(ying)響(xiang)，從根本上提高系(xi)統(tong)(tong)(tong)精(jing)度(du)成為(wei)可能。采用(yong)(yong)Σ-Δ24位(wei)(wei)A/D轉換器(qi)(CS5532)確保了精(jing)確的(de)傳感器(qi)信(xin)號能有(you)效的(de)轉換為(wei)精(jing)確的(de)數(shu)字(zi)信(xin)號。并且(qie)Σ-Δ結(jie)構相(xiang)比雙積分結(jie)構的(de)A/D對系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)白(bai)噪聲抗(kang)干擾能力(li)更強，使系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)高精(jing)度(du)成為(wei)現(xian)(xian)實。利用(yong)(yong)16位(wei)(wei)DSP2407A全面支持標準C的(de)各(ge)種數(shu)據(ju)類(lei)型，在精(jing)度(du)范圍內避(bi)免了計算誤差并運用(yong)(yong)分段(duan)線(xian)性插值(zhi)(zhi)技(ji)術進(jin)一步提高了傳感器(qi)線(xian)性程度(du)。即進(jin)一步提高了系(xi)統(tong)(tong)(tong)力(li)值(zhi)(zhi)檢測精(jing)度(du)，達到0.2%。實踐證明本系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)檢測方法明顯(xian)優(you)于現(xian)(xian)有(you)市(shi)場產(chan)品的(de)1%力(li)值(zhi)(zhi)精(jing)度(du)。

數據的通訊
本系統的數據通訊較多，也是在軟件編寫中工程量較大的部分之一。定義了一個完整、高效的三方通訊協議。即實現了上位機，DSP，SST89C58之間數據共享、指令傳遞、切換控制。由于PC機不支持485通訊、通訊的數據量適中、距離較短，所以其中數據采集DSP部分和上位機的聯結采用USB結構。而DSP與SST89C58之間的聯結采用485通訊。
人機交互
采用獨立模塊，即以SST89C58為核心的4×4行列掃描鍵盤、320×240圖形液晶顯示。通過串行通訊與DSP進行實時數據顯示。
上位機
上位機以USB方式與USB進行實時數據交換，能實現全部鍵盤顯示模塊功能，并能實現獨立控制。
系統方案的框圖及其說明

系統(tong)(tong)由(you)運動控制子系統(tong)(tong)、測(ce)量采集子系統(tong)(tong)、人機交互(hu)子系統(tong)(tong)、上位機等(deng)若干個子系統(tong)(tong)有(you)機構成，采用的是(shi)恒速測(ce)量法。

運動控制子系統
因為采用的是恒速測量法，所以速度的平滑是關鍵，是力值采集的前提;是運動控制系統和測量采集系統之間的紐帶。
在運動控制部分，揚棄了現有的單片機系統，采用了集成度更高的DSP TMS320LF2407A為核心檢測控制芯片。由DSP發出PWM信號至交流伺服電機驅動器，交流伺服電機驅動器驅動電機并進行閉環調速，DSP不進行管理。同時，伺服器將光電編碼器的正交編碼脈沖信號至DSP的QEP模塊觸發定時器進行脈沖計數，從而對夾頭位移進行精確測量。并由撲獲模塊對編碼器ZERO進行電機異常轉動進行監測。

由于采用了(le)松(song)下交流伺服電機驅動器及電機，不僅使調速范圍更寬，速度更精確(達(da)到1%精度)，而且使調速更容易控制，速度平滑度更高。速度容易控制僅使DSP有(you)更充裕(yu)的時間進行數據(ju)處理。

測量采集子系統
采用大量程，高精度的力傳感器(精度在0.001mv)于現有產品的測力傳感器精度持平。在傳感器相同的條件下對原系統進行了有效的改進，即使用16位D/A轉換器為力傳感器提供16位動態精度幅值可調的激勵電壓，減少了電壓波動對傳感器的影響，并且該激勵電壓提供方法通用性很強。實踐證明的確大幅度提高了系統精度。現有的該儀器多采用雙積分型A/D轉換器，轉換精度不高，并且對共模干擾抑制能力不高。本系統采用的是DSP+Σ-Δ24位A/D轉換(CS5532),不僅確保了傳感器信號能有效的轉換為精確的數字信號，而且DSP具有對高級語言的良好支持(全面支持標準C的各種數據類型)使運算精度遠高于系統的測量精度。這才使本品大幅提高了系統力檢測精度。本品運用DSP強大的指令處理能力應用分段線性插值技術進一步提高了傳感器線性程度。即進一步提高了系統精度。

人機交互

采用4×4行(xing)列(lie)掃描鍵盤、320×240圖(tu)形(xing)界(jie)面(mian)(mian)液晶顯示部(bu)分由SST89C58實現。因為(wei)圖(tu)形(xing)界(jie)面(mian)(mian)要求占用大(da)量存儲空(kong)間而89C58內部(bu)集成了(le)32K FLASH，并可(ke)實現在運行(xing)中寫FLASH所以人機交(jiao)互主要通過(guo)SST89C58來(lai)實現。上位機操作(zuo)界(jie)面(mian)(mian)、數據顯示、曲線顯示及打印共(gong)同實現人機交(jiao)互。

系統在關鍵技術上的創新

現(xian)有小量程抗(kang)張、抗(kang)壓(ya)試(shi)驗機(ji)(ji)產品(pin)(pin)均為(wei)(wei)獨立產品(pin)(pin)，整(zheng)合(he)為(wei)(wei)一(yi)機(ji)(ji)較少見。由于抗(kang)張與(yu)抗(kang)壓(ya)測試(shi)儀機(ji)(ji)械部分(fen)相似、電子(zi)部分(fen)相近，所以本品(pin)(pin)不僅整(zheng)合(he)了機(ji)(ji)械部分(fen)即雙絲(si)杠橫梁(liang)結構，而且(qie)在檢(jian)測與(yu)控制部分(fen)，揚棄(qi)了現(xian)有的(de)(de)單片機(ji)(ji)系統(tong)，采用了集(ji)成度更高(gao)的(de)(de)DSP TMS320LF2407A為(wei)(wei)核心檢(jian)測控制芯片。故將二者(zhe)有機(ji)(ji)整(zheng)合(he)，可以節省(sheng)大量成本，為(wei)(wei)提高(gao)系統(tong)精(jing)度追(zhui)加(jia)更大的(de)(de)成本。

現有(you)的此類儀器(qi)開創采用了集成度更(geng)(geng)高(gao)的DSP TMS320LF2407A為核心檢(jian)測(ce)(ce)控(kong)制芯片，其良好(hao)的對運動(dong)控(kong)制系統的硬件(jian)支持(chi)，具(ju)有(you)硬件(jian)QEP、PWM 等模塊，并(bing)使用松下交流伺(si)服電機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)、松下伺(si)服電機(ji)、精密光(guang)電編碼器(qi)(2500p/r)。使本品調速范圍更(geng)(geng)寬，實際達到0.1～200.0mm/min無(wu)級可(ke)調,而(er)目前(qian)(qian)產品多為2～200mm/min無(wu)級可(ke)調;位移更(geng)(geng)精確(0.01mm國標規定(ding)最高(gao)標準(zhun));速度平滑度更(geng)(geng)高(gao)。速度平滑度是抗張、抗壓材料試驗機(ji)測(ce)(ce)力的前(qian)(qian)提，也是連接運動(dong)控(kong)制系統和測(ce)(ce)量(liang)檢(jian)測(ce)(ce)系統的紐帶。

采(cai)用大量(liang)程，高精(jing)(jing)(jing)度的(de)力傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(精(jing)(jing)(jing)度在0.001mv)與(yu)現(xian)有(you)(you)產(chan)品(pin)的(de)測力傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)精(jing)(jing)(jing)度持平。但(dan)本品(pin)在傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)相(xiang)同(tong)的(de)條件下對傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)使用上進行(xing)了(le)有(you)(you)效的(de)改進，即使用16位D/A轉(zhuan)換器(qi)(qi)(LT1655)+高精(jing)(jing)(jing)度功放(LT1010)為力傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)提供16位動態(tai)精(jing)(jing)(jing)度幅值(zhi)可調的(de)激勵(li)(li)電(dian)壓(ya)，減少(shao)了(le)激勵(li)(li)電(dian)壓(ya)波(bo)動對傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)影響，不(bu)僅從根(gen)本上使提高系統精(jing)(jing)(jing)度成(cheng)為可能(neng)，而且加強了(le)系統對不(bu)同(tong)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)支持能(neng)力。

現(xian)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)該儀(yi)器多(duo)采(cai)(cai)用(yong)(yong)8位單片(pian)機+多(duo)雙積分型12位A/D轉(zhuan)(zhuan)換器，轉(zhuan)(zhuan)換精(jing)(jing)(jing)度(du)(du)與(yu)抗(kang)共模干擾(rao)能(neng)力(li)不高(gao)(gao)(gao)，并且由于(yu)(yu)單片(pian)機是(shi)(shi)單字節計(ji)算(suan)(suan)(suan)，在計(ji)算(suan)(suan)(suan)精(jing)(jing)(jing)度(du)(du)和計(ji)算(suan)(suan)(suan)速度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)權衡上左右為難。本(ben)系(xi)統(tong)(tong)采(cai)(cai)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)DSP+Σ-Δ24位A/D轉(zhuan)(zhuan)換器(CS5532)。不僅確(que)保(bao)了(le)(le)精(jing)(jing)(jing)確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)傳感器信號(hao)能(neng)有(you)效的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)換為精(jing)(jing)(jing)確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)數字信號(hao)，而且DSP具(ju)有(you)對(dui)高(gao)(gao)(gao)級語(yu)言的(de)(de)(de)(de)(de)良(liang)好支持(chi)(全面支持(chi)標準C的(de)(de)(de)(de)(de)各種數據類型)使(shi)運(yun)(yun)算(suan)(suan)(suan)精(jing)(jing)(jing)度(du)(du)遠高(gao)(gao)(gao)于(yu)(yu)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)測量精(jing)(jing)(jing)度(du)(du)。這才使(shi)本(ben)品大幅提(ti)高(gao)(gao)(gao)了(le)(le)系(xi)統(tong)(tong)力(li)檢測精(jing)(jing)(jing)度(du)(du)。本(ben)品運(yun)(yun)用(yong)(yong)DSP強(qiang)大的(de)(de)(de)(de)(de)指令處理能(neng)力(li)應用(yong)(yong)分段線(xian)性(xing)(xing)插值技術(shu)進一步(bu)提(ti)高(gao)(gao)(gao)了(le)(le)傳感器線(xian)性(xing)(xing)程度(du)(du)。即進一步(bu)提(ti)高(gao)(gao)(gao)了(le)(le)系(xi)統(tong)(tong)精(jing)(jing)(jing)度(du)(du)。在系(xi)統(tong)(tong)可(ke)(ke)靠(kao)性(xing)(xing)方面，本(ben)品采(cai)(cai)用(yong)(yong)DSP系(xi)統(tong)(tong)架構較(jiao)現(xian)有(you)單片(pian)機系(xi)統(tong)(tong)架構去除了(le)(le)大量外(wai)圍設備，提(ti)高(gao)(gao)(gao)了(le)(le)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)(ke)靠(kao)性(xing)(xing)。在實(shi)際(ji)調試中抗(kang)干擾(rao)能(neng)力(li)明顯優于(yu)(yu)普通單片(pian)機系(xi)統(tong)(tong)。

本品在功能上也進行了大量的智能化、人性化的設計
自動標定

按照計量(liang)行業(ye)規定，檢驗儀器必須定期(qi)檢驗，本系(xi)統(tong)首次提(ti)出自動(dong)標定功能，并(bing)在(zai)該(gai)品(pin)上應用。原理既是：系(xi)統(tong)將與標定相(xiang)關的(de)參數(shu)存(cun)于可擦寫(xie)的(de)FLASH中，DSP讀取滿量(liang)程(cheng)50%的(de)砝碼(ma)的(de)重力，將測取值做參照，從新標定，將標定后參數(shu)存(cun)于FLASH中。即(ji)完成自動(dong)標定。

自動測量

現有(you)產品(pin)(pin)在測量時，首先要(yao)(yao)求用(yong)上升、下降鍵(jian)將紙張微調至(zhi)似緊(jin)非緊(jin)的(de)臨界(jie)狀(zhuang)態，即(ji)測位移的(de)要(yao)(yao)求。本品(pin)(pin)在軟件上處理(li)，不需(xu)要(yao)(yao)如(ru)上操作。

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