基于嵌入式系统的动态称重系统

论文摘要

近年来,随着钢铁、化工等工业领域对称重系统的通讯功能、操作界面、抗干扰性能及响应速度要求越来越高,传统以单片机为核心的静态称重仪表越来越不适应。结合当前嵌入式系统技术和动态称重技术,本文提出了基于嵌入式系统的动态称重系统,充分利用嵌入式操作系统多任务能力和模块可剪裁功能,在执行效率、程序代码量、通讯处理能力等方面有明显优势。与传统称重仪表相比,不仅具有网络通讯功能和图形化操作界面,并且具有良好的抗干扰性能和更快的响应速度。本系统基于嵌入式系统开发,从提高系统实时性和可靠性入手,对硬件系统电路和软件系统进行了仔细的设计和验证,开发了基于S3C2410平台和μC/OS-Ⅱ的动态称重系统。系统主要由嵌入式微处理器、通讯模块、现场数据输入和输出模块、人机接口模块组成。通讯模块主要包括网络接口、RS-232接口和RS-485接口等模块组成,提供和工业现场总线相连的接口,进行远程诊断、维护、设置等功能。现场数据输入模块采集称重传感器的重量信号,输出模块可用来产生控制信号,控制生产设备。人机接口模块主要包括触摸屏和键盘,提供图形用户接口和键盘输入功能。采用实时性和可靠性较高的μC/OS-Ⅱ作为操作系统,在此基础上实现数据采集和串行通讯程序,移植并实现了图形用户界面μC/GUI和嵌入式TCP/IP协议栈Lwip。为提高称重系统的抗干扰能力,消除工业现场存在的机械振动、电磁辐射等干扰,采用FIR滤波方法对传感器数据进行处理。为提高系统响应速度,通过机理分析建立称重系统模型,采用极点配置的方法对称重系统进行动态补偿,改善系统的动态特性,使系统的稳定时间大大缩短,提高了系统的响应速度。经过测试,该动态称重仪表能够满足系统抗干扰性能和响应速度的设计要求。基于以上设计,该动态称重系统能够满足工业生产对连续在线称重的要求,这种嵌入式动态称重系统正成为工业动态称重的发展方向,具有重要的实用意义和研究价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 动态称重的发展现状
• 1.2.1 动态称重方法研究现状
• 1.2.2 称重仪表的发展及研究现状
• 1.2.3 嵌入式系统在动态称重领域的应用
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 小结
• 第2章 动态称重系统总体设计
• 2.1 系统的设计要求及性能指标
• 2.1.1 系统的设计要求
• 2.1.2 系统的性能指标
• 2.2 系统的体系结构及设计方案
• 2.2.1 系统整体结构设计
• 2.2.2 系统硬件设计方案
• 2.2.3 系统软件设计方案
• 2.3 小结
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 系统核心电路设计
• 3.1.1 嵌入式微处理器S3C2410
• 3.1.2 复位电路设计
• 3.1.3 时钟电路设计
• 3.1.4 存储电路设计
• 3.2 现场数据输入输出电路设计
• 3.2.1 A/D转换电路
• 3.2.2 D/A转换电路
• 3.2.3 数字量输入电路
• 3.2.4 数字量输出电路
• 3.3 通讯接口电路设计
• 3.3.1 串行通讯电路
• 3.3.2 以太网通讯接口电路设计
• 3.3.3 USB接口电路设计
• 3.4 键盘输入与触摸屏接口电路设计
• 3.4.1 键盘输入接口电路
• 3.4.2 触摸屏接口电路
• 3.5 电源电路设计
• 3.5.1 外围器件电源电路
• 3.5.2 系统电源电路
• 3.6 系统硬件抗干扰技术
• 3.6.1 微处理器抗干扰设计
• 3.6.2 印刷电路板的布线原则
• 3.6.3 配置去耦电容
• 3.7 系统硬件测试
• 3.8 小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 系统启动代码的设计
• 4.2 μC/OS-Ⅱ操作系统移植
• 4.2.1 嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ
• 4.2.2 μC/OS-Ⅱ体系结构
• 4.2.3 移植的内容
• 4.2.4 移植主要步骤
• 4.2.5 主程序流程
• 4.3 μC/GUI的移植
• 4.3.1 μC/GUI简介
• 4.3.2 μC/GUI的结构
• 4.3.3 μC/GUI的移植的应用
• 4.4 TCP/IP协议栈LWIP的移植
• 4.4.1 Lwip网络协议介绍
• 4.4.2 TCP/IP协议数据封装过程
• 4.4.3 嵌入式TOP/IP协议的数据流程
• 4.4.4 Lwip在μC/OS-Ⅱ上的移植
• 4.4.5 应用层通信协议的实现
• 4.5 系统各模块应用程序设计
• 4.5.1 数据采集程序
• 4.5.2 抗振动滤波的实现
• 4.5.3 动态补偿算法的实现
• 4.5.4 串行通信程序
• 4.5.5 TCP通讯程序
• 4.6 系统软件实时性测试
• 4.6.1 按键响应测试
• 4.6.2 A/D采样测试
• 4.6.3 实时性测试结果
• 4.7 小结
• 第5章 性能指标的实现方法
• 5.1 系统的静态称重精度
• 5.2 系统抗干扰滤波性能
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 滤波结果与分析
• 5.2.3 平均滤波与FIR滤波比较
• 5.3系统响应速度指标的实现
• 5.3.1 称重系统的数学建模
• 5.3.2 称重系统的动态补偿原理
• 5.3.3 系统阶跃响应的动态补偿仿真结果
• 5.3.4 连续加料过程的动态补偿结果
• 5.3.5 动态补偿结果分析及系统的响应速度
• 5.4 小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间的研究成果及作者简介