喬 橋

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

基于AD1674采集彈簧的分選系統(tǒng)采集模塊設(shè)計

喬 橋

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

彈簧彈性力測試分選系統(tǒng)是對大批量生產(chǎn)的彈簧依據(jù)其彈性系數(shù)不同，按照預(yù)先規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行測試，自動篩選出合格與不合格產(chǎn)品，并在不合格產(chǎn)品范圍內(nèi)依據(jù)是否可以修復(fù)將彈簧進(jìn)一步細(xì)分，自動流入不同料箱，以用于不同場合。而在整個系統(tǒng)中，AD采集模塊及采集軟件的實(shí)現(xiàn)則是核心需要。

彈簧彈性力測試分選系統(tǒng)；AD采集模塊；采集軟件

1 前言

近幾年來，國內(nèi)彈簧工業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計制造工藝生產(chǎn)設(shè)備以及彈簧的材料等方面都有了新發(fā)展，同時對應(yīng)用彈簧的要求也越來越高，一只彈簧有多個參數(shù)需要檢測，如負(fù)荷、剛度、柔度等，其中負(fù)荷是最常見的檢測指標(biāo)，它表明了在指定變形的情況下，該彈簧所產(chǎn)生的負(fù)荷值，用以控制自動機(jī)械所需要的動力，同時又不至于產(chǎn)生過大的載荷。所以，能實(shí)現(xiàn)彈簧檢測的智能化分選設(shè)備的開發(fā)，也成為彈簧工業(yè)發(fā)展的需要和必然趨勢。

彈簧分選系統(tǒng)的設(shè)計涉及到機(jī)械、電子、氣動等各學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)，是一個典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。而該系統(tǒng)中AD采集模塊的設(shè)計則是核心技術(shù)。

2 AD采集模塊硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主控CPU為奔騰386核心芯片組，而我們的AD采集模塊實(shí)質(zhì)上即為基于主控CPU的PC總線的擴(kuò)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(biāo)為彈簧的負(fù)荷，即彈簧在壓縮到規(guī)定程度，所輸出力值的大小，而該系統(tǒng)采用稱重傳感器將力值信號轉(zhuǎn)化為電信號。最后，選用國際流行的雙梁式S梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)經(jīng)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(zhuǎn)換成0-10V的直流電壓信號。

2.2 AD采集電路的設(shè)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(jìn)行適當(dāng)?shù)亩丝跀U(kuò)展才能設(shè)計AD采集電路。

通過 PC總線的擴(kuò)展，本系統(tǒng) 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(guān)即可設(shè)置不同的I/O口地址范圍[2]。

A/D轉(zhuǎn)換器采用12位逐次逼近式快速轉(zhuǎn)換器AD1674[1]，該芯片是美國模擬器件公司生產(chǎn)的一款適用范圍很廣的一種AD轉(zhuǎn)換器，其自生帶有采樣保持器和三態(tài)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(zhuǎn)換芯片。另外，AD1674轉(zhuǎn)換速度僅為15us，以及12位的高轉(zhuǎn)換精度，完全滿足了本系統(tǒng)實(shí)時要求高，力值采樣精度達(dá)到0.5牛頓的要求。

由于AD1674轉(zhuǎn)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(guān)系到AD采集模塊的可使用性。

本系統(tǒng)模擬量的輸入為單極性輸入，AD采集模塊的零點(diǎn)偏移及增益調(diào)整都是在設(shè)定輸入為單極性的情況下進(jìn)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(diào)零及調(diào)增益電路如圖2：

設(shè)置模擬輸入電壓為0-0.0012V，調(diào)整零點(diǎn)偏移電位器 W1，使得 AD1674的數(shù)字輸出在00???00-00???01 之間跳動，此時零點(diǎn)調(diào)整好。設(shè)置模擬輸入電壓為+9.9964-10V，調(diào)整增益電位器 W2，使得數(shù)字量輸出在 11???10-11???11 之間跳動，則增益認(rèn)為調(diào)整好[1]。

在設(shè)計AD采集電路中，抗干擾性也是需要注意的問題。在設(shè)計中，應(yīng)注意：

（1）將 AD1674芯片的數(shù)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(jīng)過電容去耦后提供給芯片，且其地線與數(shù)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(diǎn)及增益調(diào)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(guān)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(wěn)壓后變?yōu)樾枰?2V電壓。

3 AD采集模塊軟件設(shè)計

通過PC總線端口的擴(kuò)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(huán)境溫度、外界干擾、采樣電路的合理性等因素外，還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波，我們除了采用硬件濾波，還編制了軟件濾波程序，以達(dá)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(guān)寄存器寫數(shù)據(jù)即可）；

（2）讀AD采集狀態(tài)位（讀取相關(guān)寄存器相關(guān)數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。

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(shù)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(shè)計

3.2.1 傳統(tǒng)濾波算法

傳統(tǒng)的濾波算法有很多，比如算術(shù)平均值算法、加權(quán)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(fù)合濾波算法，該算法是將中值濾波和算術(shù)平均值濾波兩種方法結(jié)合而成。即把采樣數(shù)據(jù)按數(shù)值從小到大排列，去掉最大值和最小值將余下的采樣數(shù)據(jù)求平均值，這種方法集中兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，提高了濾波的效果。針對彈簧分選系統(tǒng)特點(diǎn)，復(fù)合濾波算法比較適合采用[2]。

3.2.2 對傳統(tǒng)濾波算法的改進(jìn)

由于本系統(tǒng)的采集部分采用逐次逼近式的采集芯片，其特點(diǎn)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(fù)雜，濾波效果更好的算法來提高采樣值的精確度。

本系統(tǒng)采用的濾波算法是以上文所提到的復(fù)合濾波算法為基礎(chǔ)。首先，在一定時間內(nèi)（當(dāng)壓縮彈簧趨于穩(wěn)定以后），進(jìn)行200次連續(xù)采樣，選取重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)最多的數(shù)值進(jìn)行保存；而后重復(fù)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(fù)合濾波算法進(jìn)行處理后獲得最后的采樣值。

軟件框圖如圖3。通過實(shí)驗階段，對保存值數(shù)據(jù)的分析處理，經(jīng)過改進(jìn)后的算法達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖3 AD采集軟件框圖

4 結(jié)論

本文介紹了彈簧分選系統(tǒng)中AD采集模塊的總體設(shè)計思想，在軟件濾波方面提出自己獨(dú)特的算法，并達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1] 李華. MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2001.5.

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

[3] 劉樂善.微型計算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)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(shè)備數(shù)字化和數(shù)控加工.