基于DSP的智能微控電子式紙張抗張抗壓試驗機

  在(zai)涉及到紙(zhi)(zhi)(zhi)張檢測的(de)行(xing)業，諸如(ru)造紙(zhi)(zhi)(zhi)、卷(juan)煙行(xing)業都需要對紙(zhi)(zhi)(zhi)張的(de)抗(kang)張、抗(kang)壓(ya)進行(xing)高精度的(de)測量。傳(chuan)統方法(fa)為提高力值測量精度僅提高傳(chuan)感(gan)器(qi)精度和A/D轉換器(qi)的(de)位(wei)數(shu)，雖(sui)然有一定(ding)的(de)效果，但(dan)是由于(yu)受到電路(lu)結構、噪聲干擾等諸多因素的(de)影(ying)響達到一定(ding)精度就(jiu)很難在(zai)有所提高，無法(fa)達到其行(xing)業標準(QB/T1670-92《微控電子式抗(kang)張強度試驗機(ji)》)中規(gui)定(ding)的(de)0級(0.5%)精度。

         現在的(de)智能(neng)微控(kong)電子(zi)式(shi)紙張(zhang)(zhang)抗張(zhang)(zhang)抗壓試驗機(ji)，不僅(jin)解決了(le)目前產品的(de)力值(zhi)精度(du)不高(gao)，而且(qie)抓住抗張(zhang)(zhang)試驗機(ji)與(yu)抗張(zhang)(zhang)試驗機(ji)機(ji)械與(yu)電子(zi)部分均相似的(de)特點將二者有機(ji)整合，合而為一(yi)為用戶和企業節約(yue)了(le)大(da)量成本。電子(zi)式(shi)的(de)紙張(zhang)(zhang)抗張(zhang)(zhang)抗壓試驗機(ji)要(yao)達到的(de)性能(neng)與(yu)精度(du)要(yao)求(qiu)符合以上(shang)標準(zhun)的(de)最高(gao)精度(du)級(ji)別：0級(ji)(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(xi)統的功能主要包括以下(xia)幾(ji)部(bu)分：

運動系統的控制與位移的準確測量在檢測(ce)(ce)與控(kong)制部分，揚棄(qi)了現有(you)的(de)(de)(de)單片機系統(tong)，采用了集成(cheng)度(du)更(geng)高的(de)(de)(de)DSP TMS320LF2407A為(wei)核心檢測(ce)(ce)控(kong)制芯(xin)片。其良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)對運動(dong)控(kong)制系統(tong)的(de)(de)(de)硬(ying)件支持，具有(you)硬(ying)件QEP、PWM等(deng)模塊，并使用精(jing)密光電(dian)編碼(ma)器(2500p/r)、交(jiao)流伺服驅動(dong)器，使本(ben)品(pin)調速范圍要比現有(you)產品(pin)更(geng)寬(kuan)(0.1～200.0mm/min無級可(ke)調),位(wei)移更(geng)精(jing)確(0.01mm)。

力傳感器微弱信號的檢測與采集采用(yong)(yong)高精(jing)(jing)度拉壓力(li)(li)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)。精(jing)(jing)度：1.9585mv /v(抗(kang)(kang)壓)、3.0025 mv /v (抗(kang)(kang)張(zhang))，保(bao)證了(le)(le)(le)信(xin)號(hao)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)靈敏度。使用(yong)(yong)16位(wei)(wei)D/A轉換(huan)(huan)器(qi)(qi)為力(li)(li)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)提供16位(wei)(wei)動(dong)態(tai)分辨率的(de)(de)(de)(de)(de)(de)幅(fu)值(zhi)可調(diao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)激勵(li)電(dian)壓，減少了(le)(le)(le)電(dian)壓波動(dong)對傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響，從根(gen)本(ben)上提高系(xi)統(tong)精(jing)(jing)度成為可能。采用(yong)(yong)Σ-Δ24位(wei)(wei)A/D轉換(huan)(huan)器(qi)(qi)(CS5532)確(que)保(bao)了(le)(le)(le)精(jing)(jing)確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)信(xin)號(hao)能有效的(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉換(huan)(huan)為精(jing)(jing)確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數字信(xin)號(hao)。并(bing)且(qie)Σ-Δ結構(gou)相比雙(shuang)積分結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)A/D對系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)白噪聲抗(kang)(kang)干擾能力(li)(li)更強，使系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高精(jing)(jing)度成為現(xian)實(shi)。利(li)用(yong)(yong)16位(wei)(wei)DSP2407A全面支持(chi)標準(zhun)C的(de)(de)(de)(de)(de)(de)各(ge)種(zhong)數據類型，在(zai)精(jing)(jing)度范圍內避免了(le)(le)(le)計算誤差并(bing)運用(yong)(yong)分段(duan)線(xian)性插值(zhi)技術進(jin)一步提高了(le)(le)(le)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)線(xian)性程(cheng)度。即(ji)進(jin)一步提高了(le)(le)(le)系(xi)統(tong)力(li)(li)值(zhi)檢測(ce)精(jing)(jing)度，達(da)到0.2%。實(shi)踐證明本(ben)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢測(ce)方法明顯優(you)于現(xian)有市場產品的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1%力(li)(li)值(zhi)精(jing)(jing)度。

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(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)由運(yun)動控制子系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)、測(ce)量采集子系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)、人機(ji)交(jiao)互(hu)子系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)、上(shang)位機(ji)等(deng)若(ruo)干個(ge)子系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)有機(ji)構成，采用的(de)是恒速測(ce)量法(fa)。

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。

由于采用了松(song)下(xia)交流伺服電(dian)(dian)機驅動器及電(dian)(dian)機，不僅(jin)使調速(su)范圍更(geng)寬，速(su)度更(geng)精確(達到1%精度)，而且使調速(su)更(geng)容易(yi)控制(zhi)，速(su)度平滑(hua)度更(geng)高。速(su)度容易(yi)控制(zhi)僅(jin)使DSP有更(geng)充裕的時間(jian)進(jin)行(xing)數據處(chu)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(yong)4×4行列掃描鍵盤(pan)、320×240圖形(xing)界面(mian)液晶顯(xian)(xian)示(shi)(shi)部(bu)分(fen)由SST89C58實(shi)現(xian)(xian)。因(yin)為圖形(xing)界面(mian)要求占用(yong)大量存(cun)儲空(kong)間(jian)而89C58內部(bu)集成了(le)32K FLASH，并可實(shi)現(xian)(xian)在運行中(zhong)寫FLASH所(suo)以(yi)人機交(jiao)互主要通過SST89C58來實(shi)現(xian)(xian)。上位機操作界面(mian)、數據顯(xian)(xian)示(shi)(shi)、曲線顯(xian)(xian)示(shi)(shi)及(ji)打印共同實(shi)現(xian)(xian)人機交(jiao)互。

系統在關鍵技術上的創新

現有(you)小量(liang)程抗張、抗壓試驗機(ji)產品(pin)均為獨立產品(pin)，整合為一(yi)機(ji)較少見(jian)。由于抗張與抗壓測試儀(yi)機(ji)械部(bu)分相(xiang)似、電(dian)子(zi)部(bu)分相(xiang)近，所以本(ben)(ben)品(pin)不僅整合了機(ji)械部(bu)分即雙(shuang)絲杠橫(heng)梁結(jie)構，而且(qie)在(zai)檢測與控制(zhi)部(bu)分，揚棄了現有(you)的(de)(de)單(dan)片機(ji)系(xi)統，采用(yong)了集(ji)成度(du)更高(gao)的(de)(de)DSP TMS320LF2407A為核心檢測控制(zhi)芯(xin)片。故將二(er)者(zhe)有(you)機(ji)整合，可以節省大(da)(da)量(liang)成本(ben)(ben)，為提高(gao)系(xi)統精度(du)追(zhui)加更大(da)(da)的(de)(de)成本(ben)(ben)。

現有(you)的(de)(de)此類儀器(qi)開創采用了(le)集(ji)成度(du)更高的(de)(de)DSP TMS320LF2407A為(wei)核心檢測(ce)控制(zhi)芯片，其良(liang)好的(de)(de)對運動控制(zhi)系(xi)統的(de)(de)硬件支持(chi)，具有(you)硬件QEP、PWM 等模(mo)塊，并使用松下交(jiao)流伺服(fu)電機驅動器(qi)、松下伺服(fu)電機、精密光電編碼器(qi)(2500p/r)。使本品調速(su)范(fan)圍更寬(kuan)，實際達到0.1～200.0mm/min無級可調,而目前(qian)產(chan)品多為(wei)2～200mm/min無級可調;位移更精確(que)(0.01mm國標規定(ding)最高標準);速(su)度(du)平(ping)滑(hua)度(du)更高。速(su)度(du)平(ping)滑(hua)度(du)是抗張、抗壓材料試驗(yan)機測(ce)力的(de)(de)前(qian)提，也是連接運動控制(zhi)系(xi)統和測(ce)量檢測(ce)系(xi)統的(de)(de)紐帶。

采(cai)用(yong)大(da)量程，高(gao)精(jing)(jing)度的(de)力(li)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(精(jing)(jing)度在0.001mv)與現有產品(pin)的(de)測(ce)力(li)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)精(jing)(jing)度持(chi)(chi)平(ping)。但本品(pin)在傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)相同(tong)的(de)條(tiao)件下對(dui)(dui)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)使(shi)(shi)用(yong)上(shang)進行了(le)有效的(de)改進，即使(shi)(shi)用(yong)16位D/A轉換器(qi)(qi)(LT1655)+高(gao)精(jing)(jing)度功放(LT1010)為(wei)力(li)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)提(ti)供16位動(dong)態精(jing)(jing)度幅值可(ke)調的(de)激(ji)勵電壓(ya)(ya)，減(jian)少(shao)了(le)激(ji)勵電壓(ya)(ya)波動(dong)對(dui)(dui)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)影響，不僅從根本上(shang)使(shi)(shi)提(ti)高(gao)系統(tong)精(jing)(jing)度成(cheng)為(wei)可(ke)能，而且加強了(le)系統(tong)對(dui)(dui)不同(tong)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)支持(chi)(chi)能力(li)。

現(xian)有的(de)(de)該儀器多采用(yong)8位單(dan)(dan)片(pian)機(ji)+多雙積分型12位A/D轉換(huan)器，轉換(huan)精(jing)度(du)與抗(kang)共模干擾能力(li)不(bu)高(gao)(gao)，并且由于單(dan)(dan)片(pian)機(ji)是單(dan)(dan)字節(jie)計(ji)算(suan)，在計(ji)算(suan)精(jing)度(du)和計(ji)算(suan)速度(du)的(de)(de)權衡上(shang)左右為難。本系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)采用(yong)的(de)(de)是DSP+Σ-Δ24位A/D轉換(huan)器(CS5532)。不(bu)僅確(que)(que)保了(le)(le)(le)(le)(le)精(jing)確(que)(que)的(de)(de)傳感器信號(hao)能有效(xiao)的(de)(de)轉換(huan)為精(jing)確(que)(que)的(de)(de)數字信號(hao)，而且DSP具有對高(gao)(gao)級語言的(de)(de)良(liang)好支持(chi)(全面(mian)支持(chi)標準C的(de)(de)各(ge)種數據(ju)類型)使運算(suan)精(jing)度(du)遠(yuan)高(gao)(gao)于系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)測(ce)(ce)量精(jing)度(du)。這(zhe)才使本品大(da)幅(fu)提高(gao)(gao)了(le)(le)(le)(le)(le)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)力(li)檢測(ce)(ce)精(jing)度(du)。本品運用(yong)DSP強大(da)的(de)(de)指令處理(li)能力(li)應用(yong)分段線(xian)性插值(zhi)技術進一步提高(gao)(gao)了(le)(le)(le)(le)(le)傳感器線(xian)性程度(du)。即進一步提高(gao)(gao)了(le)(le)(le)(le)(le)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)精(jing)度(du)。在系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)可靠性方面(mian)，本品采用(yong)DSP系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)架構(gou)較現(xian)有單(dan)(dan)片(pian)機(ji)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)架構(gou)去除了(le)(le)(le)(le)(le)大(da)量外(wai)圍設備，提高(gao)(gao)了(le)(le)(le)(le)(le)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)可靠性。在實際調試中抗(kang)干擾能力(li)明顯(xian)優(you)于普通單(dan)(dan)片(pian)機(ji)系(xi)(xi)(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

按照計量行業規定(ding)，檢驗(yan)儀器必(bi)須定(ding)期檢驗(yan)，本系(xi)(xi)統(tong)首(shou)次提(ti)出自動(dong)標(biao)定(ding)功能，并在該品上應用。原(yuan)理既是：系(xi)(xi)統(tong)將與標(biao)定(ding)相關的(de)(de)參(can)(can)數存于可擦寫(xie)的(de)(de)FLASH中，DSP讀(du)取(qu)(qu)滿量程(cheng)50%的(de)(de)砝碼的(de)(de)重力，將測取(qu)(qu)值做參(can)(can)照，從新(xin)標(biao)定(ding)，將標(biao)定(ding)后參(can)(can)數存于FLASH中。即(ji)完成自動(dong)標(biao)定(ding)。

自動測量

現有產(chan)品(pin)在測量時，首(shou)先要(yao)求(qiu)(qiu)用(yong)上升、下(xia)降鍵(jian)將紙張微調至似緊(jin)非緊(jin)的臨界狀態(tai)，即測位(wei)移(yi)的要(yao)求(qiu)(qiu)。本品(pin)在軟(ruan)件上處理，不需要(yao)如上操作(zuo)。

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