0引言
智能稱重係統在工業生產和日常生活中應用廣泛，市場上的這些台稱與平台稱等小型稱重計量儀表，主要是對靜止的東西(如貨物)稱重，而對動態稱重(如動物，家禽)存在功能單一或者沒有相應的功能的問題［1］。在稱重技術中，應用最普遍的是由應變片和彈性體組成的測力傳感器。將重物放於稱重係統的托架上，待穩定後，就可以準確地讀出重量值，但當需要進行快速稱重時，這種傳感器就暴露出缺陷。由於其彈性體的阻尼比過小，傳感器到達穩態的時間較長，不能滿足快速測量的要求［2］。稱重信號中包含低頻隨機幹擾，且采樣得到的信號太短，對動態稱重信號作簡單的數字濾波，係統的精度難以得到很大的提高。依據衡器國家行業標準，基於嵌入式計算機研製了新型的多功能智能稱重儀，稱重儀既具有基本稱重功能包括按鍵皮重功能、皮重內鎖功能、自動去皮功能、自動零跟蹤功能、動態檢測功能、手動和自動累計功能，又有動物稱重、計數、峰值保持和累加等特殊稱重功能。
1嵌入式稱重儀硬件構成
係統由嵌入式計算機、數據采集與存儲、信號處理、PWM脈寬調製、人機接口和USB接口通信等電路部分組成，如圖1所示。硬件電路由AＲM作為係統的控製中心，完成多路信息的實時采集，對實時采集的數據進行數字濾波校正、分時存儲，完成對數字信號運算、顯示、傳輸等功能，可以通過對擴展電路的控製，對鍵盤進行掃描，而後通過鍵盤散轉程序，對整個係統進行控製。信號采集部分利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電壓信號，而後經處理電路(濾波、差動放大)以及PWM脈寬調製處理後，送A/D轉換器轉化為數字量輸出。通過USB接口與上位機通訊，可根據主機PC發送的控製參數，對被測對象的壓力參數進行控製調節，進一步完成人機交互界麵的管理、圖形功能、參數設定及自診斷。

嵌入式硬件是嵌入式32位處理器StrongAＲM*SA－1110，軟件平台采用WindowsCE。PlatformBuilder是為嵌入係統設備開發和定製基於WindowsCE的操作係統的工具。在創建基本平台的過程中主要包括配置平台、創建操作係統映像、傳輸映像到目標設備和調試係統，而在定製平台的過程中主要有開發用戶自己的OAL(OEMAdoptionLayer)、設備驅動程序、引導裝載程序、組件、本地化等［3］。
2主要電路設計
2．1數據采集電路
采用高精度A/D轉換器PWC318N，用模擬開關、積分器、比較器等構成Σ－Δ型調製器，轉換速率可達200次/s，與控製器結合PWC318實現對調製器脈衝信號進行數字抽取濾波，非常適用於高精度電子天平和電子秤等場合。通過連接外部晶體振蕩器，PWC318的內部時鍾發生器產生時鍾頻率信號TCLK，脈寬控製器接受比較器的輸出Σ－Δ碼，同步到PWC318的內部時鍾信號，產生脈寬輸出信號。脈寬輸出信號控製模擬開關，當為“0”時，接通－VＲEF，當為“1”時，接通+VＲEF。PWC318通過內部16位計數器來計數脈寬輸出信號為高電平時的脈衝數，將結果進行迭加後，通過向控製器發中斷請求，控製器讀計數值，實現對2N個采樣值迭加後取平均值的數字濾波，數據采集電路如圖2所示。

2．2人機接口電路
稱重儀需要實現輸出各種結果顯示，采用AG320240大屏點陣圖形液晶顯示模塊。控製器中使用了512K字節的存儲器，存儲了係統需要的16×16點陣漢字字庫、界麵顯示背景圖等。由於液晶顯示器內置了SED1335控製器，對液晶顯示器的控製變為對SED1335控製器進行接口通信，簡化了對液晶顯示的控製。稱重係統中設有多個功能鍵，鍵盤采用矩陣形式排列，按鍵設置在行列式交點上，通過鍵盤向裝置係統輸入相關參數和控製命令。
2．3信號處理與PWM電路
傳感器是稱重係統中實際承壓值測量的關鍵元件，稱重傳感器采用了應變片壓力傳感器，輸出的信號通過濾波電路後送給差動放大器。采用PWM脈寬調製電路，實現對小信號的自動控製補償，提高了電路的線性和穩定性。信號處理與PWM電路如圖3所示。

3稱重儀的動態補償
荷重係統經過簡化可以看成單自由度二階係統，測重環節中的應變式測重傳感器加秤體構成測重部分，可以等效為由彈簧、阻尼器組成［4］，係統等效模型如圖4所示。

式中:m為秤體質量，由傳感器本身的等效質量和托盤質量組成;M(t)為被測質量;C為阻尼比例係數;K為剛度係數;x為在垂直方向偏離平衡點的位移;F(t)為垂直方向作用力。
采用分段線性化法將模型近似為線性時不變係統，建立係統的數學模型。因為應變與應力呈正比，而電橋輸出電壓U與應變呈正比關係。設在一個時間段［t0，t0+Δt］內，式(1)可以簡化為一個線性時不變係統，把F看作是Mg的一部分，即G=Mg+F。設各種初始條件為零，K0為靈敏係數，對式(1)做拉普拉斯變換得:

當秤體空載時，敲擊秤台產生衝擊激勵信號，獲得係統的衝擊響應，從而得到係統模型［4］，其階躍響應如文獻［5］。荷重係統的動態響應品質較差，由於阻尼非常小，振蕩嚴重，采集的信號不能反映真實的測量值，同時阻尼過小，動態響應過程到達穩態的調節時間長，測重係統的快速性得不到保證。采用動態數字補償處理改變係統阻尼係數，在係統中增加串聯補償環節必須盡可能提高係統輸出動態品質，即盡可能增加ωn，ξ達到最佳值0.707左右。係統輸出由X(s)轉化為Y(s)，即Y(s)=X(s)H(s)，且使Y(s)的ξ達到0.707，ωn不變。設數字補償環節H(s)的零點為X(s)的極點，數字補償環節H(s)的極點為Y(s)的極點，並將s域變換到z域，作雙線性變換有［6］:

假設係統傳遞函數W(s)，係統的模型隨質量M(t)改變而不斷改變它的極點，補償環節H(s)要保證係統始終是最佳二階係統，也應跟隨係統動態模型不斷調整自己的零點，與係統的極點相抵消，達到動態補償的目的，H(s)的係數隨質量M(t)是不斷變化的，補償原理如圖5所示。

敲擊實驗獲得實驗過渡過程曲線，由文獻［2］中的公式計算ξ，ωn值，其階躍響應如圖6(a)所示，傳感器在最終輸出穩定值之前，穩定輸出需要0.55s．
對自適應補償進行仿真驗證，考慮模型存在誤差情況下的自適應補償效果。因此，將係統的固有頻率ωn減小，此時，自適應補償環節的零點與模型極點不能完全抵消。得到自適應補償前後的係統階躍響應特性，如圖6(b)所示。係統的動態響應特性得到顯著改善，係統階躍響應達到97%穩態輸出的穩定時間為0.6s，小於沒有補償0.55s，在存在係統誤差的情況下，能很好地提高動態測重的速度。

4試驗與分析
針對稱重儀進行了普通稱重方式、計數稱重方式、峰值稱重方式和動物稱重方式的試驗。普通稱重方式、計數稱重方式、峰值稱重方式用砝碼作為稱重對象，每種方式下測試10次，經傳感器校準，數字濾波和非線性補償後，每隔10min讀一次稱重顯示，普通稱重測量誤差小於0.25%，峰值稱重和計數稱重測量誤差都小於0.4%，動物稱重誤差小於0.84%，稱重精度達到設計的要求，穩定可靠，測試結果如表1、表2、表3和表4所示。

5結束語
基於嵌入式計算機，並用USB接口，根據需求搭建了硬件平台，對傳感器進行補償，使得傳感器的振蕩得以有效抑製，提高了係統響應的快速性，經過數字濾波等軟件處理，實現普通稱重方式和特殊稱重方式。多功能便攜式智能稱重係統具有良好的可靠性、準確性和抗幹擾能力，處理速度和測量精度提高，滿足了稱重的實時性要求，取得了良好的效果。

本文源於網絡轉載，如有侵權，請聯係刪除