基于ARM嵌入式系統的電子皮帶秤研究設計

蘇 超

（西曲礦運輸四隊，山西古交 030200）

0 引言

電子皮帶秤發展至今已經不是一個單純的計量裝置，通過將強大的網絡功能與數據交換功能的結合已經成為了企業管理系統中的重要組成部分。我國在皮帶秤方面的開發研究較國外晚，目前行業整體水平比較低，表現在皮帶秤的精度、數據處理能力、通訊接口兼容性和功能齊全性等方面，同時在自動化處理方面也有所欠缺。基于此，本論文研究設計了一套基于ARM嵌入式系統的電子皮帶秤控制器，其與傳統產品相比較明顯的優點是運行速度快、體積小、通信功能強大、精度高、可定制性強以及價格便宜等。通過增強皮帶秤控制器的網絡功能可以方便聯網，與網絡中的其他設備實現實時數據交換與資源共享。更能夠對設備的工作過程進行實時監控，實現了上位機對下面設備的監控和管理。

圖1 系統總體結構

1 系統總體結構

系統整體的設計目標是要實現儀表的小型化、功能的模塊化，以及控制的智能化。同時還需要利用傳感器對目標的信息進行采集、處理、存儲以及顯示等。這是皮帶秤總體的發展趨勢。

如圖1所示為本系統的整體結構圖。從圖中可以看出在總體框架上本系統可以分為三層，最頂層的是應用軟件層，這一層主要是實現整個系統的具體功能，其中包括參數設置、PWM控制、密碼設定、脈沖測試以及零點、實物、鏈碼等標定。處在第二層也就是中間層的是系統軟件，主要包括各種硬件設備的驅動，例如：AD驅動、LCD驅動、網絡驅動和串口通訊驅動等。還有系統底層軟件以及文件系統等。這一層為應用軟件層和外部設備的使用提供底層基礎。最后一層也就是最底層是系統硬件支持。本系統需要用到的硬件包括：AD模塊、LCD模塊、溫度模塊、鍵盤模塊、核心板以及電源模塊等[1-4]。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件結構

本系統的硬件結構如圖2所示，在硬件設計時也是遵循模塊化的設計思維，中心部分是以ARM處理器為CPU組成的核心控制板，在核心板上集成了系統運行最基本的時鐘、存儲以及通訊和電源等模塊。在核心板外圍是外部擴展模塊包括外擴存儲器、各種通訊接口等。最外層是外接硬件，包括LCD顯示屏、鍵盤、各種傳感器和輸入輸出接口等。

2.2 CPU選型

由于本系統需要使用嵌入式Linux系統，所以選用ARM9系列微控制器，因為其內部集成了內存管理模塊也就是MMU，能夠支持較大的嵌入式系統。通過對比分析后選用了由三星公司設計生產的ARM9系列32位微控制器，型號為S3C2440A。該芯片采用的是哈佛結構，將數據總線和控制總線獨立開來，極大增加了芯片的處理速度[3]。如表1所示為S3C2440A微控制器主要硬件資源。

表1 S3C2440A主要硬件資源

2.3 模擬量信號輸出電路

為了更好地適應皮帶稱重的需求，本系統設計了兩種工作模式，分別是通過流量控制和累計稱重。為了在流量控制模式中更好地工作，同時在稱重的過程中實時調節皮帶運行的速度，以便能夠實時調節皮帶上物料的實時流量，系統專門設計了一套模擬量輸出模塊，通過輸出的模擬量信號來控制變頻器的輸出頻率，從而達到控制皮帶驅動電機輸出轉速的目的，具體的模擬量輸出電路如圖3所示。

圖3 模擬量信號輸出電路

本系統的模擬量信號輸出采用的是國際標準4～20 mA，通過精確度比較高的電壓電流轉換芯片來實現，本系統選用的轉換芯片型號為XTR111。如圖3中的電路所示，SET引腳連接的電阻主要功能是設置輸出電流與輸入電壓回見的轉化比率。為了提高系統的輸出能力，也就是提高輸出阻抗，在電路的輸出端通過一個晶閘管來實現[5-6]。

其中PWM DA信號是通過CPU內部集成的PWM發生器產生的具有一定頻率的PWM波，TLP521是光耦，通過其的隔離作用后將最高電平為3.3 V的PWM波轉化為最高電平為5 V的PWM波。電路圖中VOUT是PWM波形輸出的平均值，XTR111的輸入信號是通過電阻R31分壓后輸入到VIN管腳的。這樣便可以通過控制PWM的頻率來達到控制VIN輸入大小的目的，從而達到控制輸出電流大小的目的。下式為XTR111的輸出電流計算公式：

式（1）中：IOUT為輸出電流，VIN為輸入電壓。

將RSET的值固定為250Ω，當輸入電壓變化范圍為1～5 V時，輸出電流的大小為4～20 mA，完全符合設計要求。

2.4 RS-485接口電路設計

本設計利用RS-485通訊方式來實現皮帶秤儀表與控制驅動電機的變頻器以及用于控制皮帶的PLC之間實現通訊。使用的通訊協議是工業上通用的RS-485協議。傳統的RS-485通訊有兩種通訊方式，分別是全雙工和半雙工，本系統使用的是半雙工方式，由于其采用的差分通訊方式是兩線制，系統不需要參考電壓，所以RS-485總線的抗干擾能力比較強，高邏輯的電平范圍一般為+12 V～+16 V。而邏輯低的電平范圍是-6 V～-2 V。在較低波特率的情況下理論上最長的通訊距離能夠達到1.2 km。最快數據傳輸速率為 10 Mbit∕s。

如圖4所示為RS-485接口電路。使用的芯片型號為ADM2486，這是ADI公司設計生產的內部集成隔離模塊的RS-485收發芯片。工作電壓為2.7～5.5 V。具有很強的隔離能力，能夠承受2.5 kV的壓差。極限數據傳輸速率能夠達到20 Mb∕s。由于其低成本、高性能的特性非常適合本系統的使用。為了確保通訊電源中沒有高頻干擾，本設計中使用了B0505S電源隔離芯片來過濾電源，將過濾后的+5 V電源輸入到ADM2486芯片中。利用撥碼開關來選通RS-485的通訊。RE接口用來控制芯片的使能操作。

圖4 RS-485接口電路

3 系統軟件設計

3.1 軟件總體結構

如圖5所示為本系統的軟件結構圖。從圖中可以看出本系統的軟件可以分為四部分，分別是底層驅動初始化程序、數據采集程序、顯示程序和數據存儲程序。

圖5 軟件結構示意圖

3.2 Linux系統移植

本設計使用的Linux內核版本為2.6.32。根據所使用CPU的信號和結構特點，對Linux內核的源代碼進行相應的裁剪，然后配置和編寫驅動部分所需要的代碼，最后通過編譯器編譯為內核的映像文件。但是Linux系統啟動完成后還必須有根文件系統的支持，本設計使用了busyb?ox-1.18.0設計文件系統，然后通過U-boot將所有的文件燒寫到CPU的存儲器中[7-8]。

3.3 按鍵驅動程序設計

鍵盤在本設計中主要功能是用來輸入參數以及界面的操作等。如圖6所示為本系統設計的鍵盤處理軟件流程圖。從圖中可以看出首先是CPU掃描I∕O口判斷是否有鍵被按下，當有鍵觸發時首先是延時20 ms消除抖動，延時完畢后再進行鍵盤輸入數據的讀取，并通過按下的鍵值來進行計算確定有效標志位。當識別出具體的功能后CPU便會跳轉到相應的功能子程序執行，當子程序執行完畢后返回繼續判斷按鍵是否觸發。

3.4 物料重量累計程序設計

重量累加功能是整個系統功能的核心，因此在選定合適的處理算法后通過如圖7所示的物料重量累加程序流程來達到最終結果。由于環境溫度會對皮帶秤的準確度產生一定的影響，所以通過實時監控環境溫度來達到動態校準皮帶秤零點的目的。每次程序在執行前都要先進行溫度的測量，然后再讀取皮帶的實時速度，通過科爾曼濾波算法對采集到的數據進行處理，將處理后的結果默認為此時的實時重量，然后將累加后的重量顯示到LCD顯示屏上。

圖6 按鍵處理程序

圖7 重量累計流程圖

4 小結

本文設計了一套基于ARM嵌入式系統的皮帶秤，通過現場試驗驗證了其功能的完整性和可靠性，在一定程度上能夠滿足工業現場需求，為礦井下同類型設備的設計提供了思路。