基于AD1674采集彈簧的分選系統采集模塊設計

喬 橋

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430073）

基于AD1674采集彈簧的分選系統采集模塊設計

喬 橋

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430073）

彈簧彈性力測試分選系統是對大批量生產的彈簧依據其彈性系數不同，按照預先規定的指標進行測試，自動篩選出合格與不合格產品，并在不合格產品范圍內依據是否可以修復將彈簧進一步細分，自動流入不同料箱，以用于不同場合。而在整個系統中，AD采集模塊及采集軟件的實現則是核心需要。

彈簧彈性力測試分選系統；AD采集模塊；采集軟件

1 前言

近幾年來，國內彈簧工業的產品設計制造工藝生產設備以及彈簧的材料等方面都有了新發展，同時對應用彈簧的要求也越來越高，一只彈簧有多個參數需要檢測，如負荷、剛度、柔度等，其中負荷是最常見的檢測指標，它表明了在指定變形的情況下，該彈簧所產生的負荷值，用以控制自動機械所需要的動力，同時又不至于產生過大的載荷。所以，能實現彈簧檢測的智能化分選設備的開發，也成為彈簧工業發展的需要和必然趨勢。

彈簧分選系統的設計涉及到機械、電子、氣動等各學科領域的技術，是一個典型的機電一體化系統。而該系統中AD采集模塊的設計則是核心技術。

2 AD采集模塊硬件設計

本系統主控CPU為奔騰386核心芯片組，而我們的AD采集模塊實質上即為基于主控CPU的PC總線的擴展模塊。

2.1 稱重傳感器的選型

正如前言所說，檢測彈簧主要指標為彈簧的負荷，即彈簧在壓縮到規定程度，所輸出力值的大小，而該系統采用稱重傳感器將力值信號轉化為電信號。最后，選用國際流行的雙梁式S梁結構的S型稱重傳感器，這種傳感器輸出對稱性好，測量精度高，結構緊湊。其額定輸出為 20mv,輸出非線性度為滿量程的-0.03%—+0.03%，由于傳感器的輸出為毫伏信號，而AD采集模塊接收的是伏信號，所以通過稱重傳感器的電信號應經過放大。我們采用有源放大原理，其原理圖如圖1。

通過有源放大電路后，我們將傳感器的毫伏信號轉換成0-10V的直流電壓信號。

2.2 AD采集電路的設計

圖1 信號放大器原理方框圖

由于主控CPU為奔騰386核心芯片組，所以必須基于PC總線[3]進行適當的端口擴展才能設計AD采集電路。

通過 PC總線的擴展，本系統 AD采集模塊使用的地址范圍為 200H-202H，I/O地址譯碼部分采用74LS688比較器，通過DIP開關即可設置不同的I/O口地址范圍[2]。

A/D轉換器采用12位逐次逼近式快速轉換器AD1674[1]，該芯片是美國模擬器件公司生產的一款適用范圍很廣的一種AD轉換器，其自生帶有采樣保持器和三態緩沖電路，可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連，而無須附加邏輯接口電路，并且與CMOS、TTL電平兼容，所以該芯片是一款集成性能很好的AD轉換芯片。另外，AD1674轉換速度僅為15us，以及12位的高轉換精度，完全滿足了本系統實時要求高，力值采樣精度達到0.5牛頓的要求。

由于AD1674轉換器接收的是模擬電壓值，其電路的抗干擾及防止零漂能力[1]直接關系到AD采集模塊的可使用性。

本系統模擬量的輸入為單極性輸入，AD采集模塊的零點偏移及增益調整都是在設定輸入為單極性的情況下進行的。而對AD1674芯片而言，其單極性輸入為 0-10V，可接收有源放大器的電壓信號。AD1674的調零及調增益電路如圖2：

設置模擬輸入電壓為0-0.0012V，調整零點偏移電位器 W1，使得 AD1674的數字輸出在00???00-00???01 之間跳動，此時零點調整好。設置模擬輸入電壓為+9.9964-10V，調整增益電位器 W2，使得數字量輸出在 11???10-11???11 之間跳動，則增益認為調整好[1]。

在設計AD采集電路中，抗干擾性也是需要注意的問題。在設計中，應注意：

（1）將 AD1674芯片的數字地與模擬地在靠近芯片的地方連接在一起。

（2）芯片供電電源經過電容去耦后提供給芯片，且其地線與數字地相連。

（3）模擬信號的地線與 AD1674的模擬地相連。

2.3 AD采集芯片的供電

圖2 AD1674零點及增益調整電路

AD1674的供電為+12V、-12V，該電壓的提供要求輸出紋波小，所以一般的開關電源不能滿足要求。我們采用DC-DC的方式，來提供電源。24V直流電源通過整流變壓、濾波、三端穩壓后變為需要的12V電壓。

3 AD采集模塊軟件設計

通過PC總線端口的擴展，我們很方便控制AD1674的采樣過程，而對于模擬量的輸入，除了要考慮環境溫度、外界干擾、采樣電路的合理性等因素外，還要進行適當的濾波，我們除了采用硬件濾波，還編制了軟件濾波程序，以達到最佳的濾波效果。

3.1 AD1674控制軟件

控制過程如下[3]：

（1）選擇模擬量通道，啟動12位變換（僅需向相關寄存器寫數據即可）；

（2）讀AD采集狀態位（讀取相關寄存器相關數據位的數據，通過查詢或中斷方式判斷AD采集是否完成）；

（3）如果采樣完成，則分別通過兩個寄存器讀出高八位、低四位數據。

由于對稱重傳感模塊輸出的電壓信號為 0-10V，所以對 A/D采集模塊模擬量的輸入量程的選擇也為0-10V。稱重傳感的測量范圍為0-200Kg，所以通過AD采集后的數字量每一位代表的物理量為0.479牛頓。

3.2 軟件濾波程序設計

3.2.1 傳統濾波算法

傳統的濾波算法有很多，比如算術平均值算法、加權平均值算法、中值濾波算法、一階低通濾波算法等。比較常用的為復合濾波算法，該算法是將中值濾波和算術平均值濾波兩種方法結合而成。即把采樣數據按數值從小到大排列，去掉最大值和最小值將余下的采樣數據求平均值，這種方法集中兩種算法的優點，提高了濾波的效果。針對彈簧分選系統特點，復合濾波算法比較適合采用[2]。

3.2.2 對傳統濾波算法的改進

由于本系統的采集部分采用逐次逼近式的采集芯片，其特點為采集周期短，僅需要15us既可完成一次采樣，我們有充裕的時間采用更為復雜，濾波效果更好的算法來提高采樣值的精確度。

本系統采用的濾波算法是以上文所提到的復合濾波算法為基礎。首先，在一定時間內（當壓縮彈簧趨于穩定以后），進行200次連續采樣，選取重復出現次數最多的數值進行保存；而后重復以上工作20次，獲取20個力值；最后將這20個力值采用以上的復合濾波算法進行處理后獲得最后的采樣值。

軟件框圖如圖3。通過實驗階段，對保存值數據的分析處理，經過改進后的算法達到了預期的效果。

圖3 AD采集軟件框圖

4 結論

本文介紹了彈簧分選系統中AD采集模塊的總體設計思想，在軟件濾波方面提出自己獨特的算法，并達到了預期的效果。

[1] 李華. MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社, 2001.5.

[2] 盧國明,等. 單片機在彈簧測試儀中的應用[J]. 彈簧工程, 1992, (4): 45-50.

[3] 劉樂善.微型計算機接口技術及應用[M].武漢：華中科技大學出版社, 2000.4.

The Module of AD Gather to Design and Realize in the Spring Sorting System based on AD1674

QIAO Qiao
(College of Mechanics and Electronics Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430074, China)

Automatic spring classification machine is the machine that can test large quantities of springs, which has different flexibility coefficients and is used in different situations, and sieve automatically qualified are different from the unqualified according to the rules proceeded in advance,it also further subdivides the spring coil according to whether it can repair within the scope of the unqualified and automatically afflux anticipate box. In the whole system, the realization that AD gathers of the module and gathers of the software is the core needs.

Elastic Strength of the Spring Tests and Sorting System; Module of AD Gathers; Gathering Software

TP273+.1

A

1009－5160(2011)06－0058－03

喬橋（1980-），男，講師，研究方向：紡織設備數字化和數控加工.