基于工業(yè)總線控制的在線聚合物雜質(zhì)測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于工業(yè)總線控制的在線聚合物雜質(zhì)測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：聚合物材料的潔凈度是衡量聚合物產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，怎樣提高聚合物產(chǎn)品潔凈度，是眾多聚合物生產(chǎn)企業(yè)和以聚合物為生產(chǎn)材料的企業(yè)所面臨的最重要的問(wèn)題。為了解決這一難題，本文針對(duì)工業(yè)總線控制的在線聚合物雜質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。本文應(yīng)用光學(xué)成像原理，采用實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)，完成了對(duì)聚合物雜質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)的

2、設(shè)計(jì)。 </p><p>　　本文敘述了聚合物雜質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對(duì)其中的驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、通信電路作了詳盡的分析與設(shè)計(jì)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞CCD；信號(hào)處理；單片機(jī)；工業(yè)總線 </p><p>　　中圖分類號(hào)：P204 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2104（2012） </p><p>　　Abstract:

3、 The cleanliness of the polymer material is one of the important indicators to measure the quality of polymer products, how to improve the cleanliness of the polymer product is the most important issues facing many polym

4、er manufacturers and polymer materials for the production of enterprises. To solve this problem, polymer impurities measurement systems for industrial bus control and related technologies. In this paper, optical imaging,

5、 real-time measurement technology and digital image</p><p>　　Key words CCD; signal processing; microcontroller; industrial bus </p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印 </p><p>　　千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行

6、不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 </p><p><b>　　緒論 </b></p><p><b>　　概述 </b></p><p>　　聚合物是由一種或幾種結(jié)構(gòu)單元通過(guò)共價(jià)鍵連接起來(lái)的分子量很高的化合物，按其性質(zhì)和用途可分為橡膠、

7、化學(xué)纖維和塑料等幾大類。聚合物產(chǎn)品具備許多優(yōu)越性能，被廣泛的應(yīng)用于人們的日常生活，并成為工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的重要材料。如何提高產(chǎn)品質(zhì)量，與國(guó)際接軌，走向國(guó)際市場(chǎng)，已是擺在企業(yè)面前的重要課題。 </p><p>　　現(xiàn)代化的生產(chǎn)線要求產(chǎn)品的檢測(cè)必須具有速度快、精度高、在線自動(dòng)檢測(cè)的特點(diǎn)。這樣不但可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低工作復(fù)雜度，還可以降低生產(chǎn)與檢測(cè)過(guò)程中的人為因素，使檢測(cè)結(jié)果更加客觀化。同時(shí)更

8、可用于統(tǒng)計(jì)分析缺陷，找出其產(chǎn)生原因，以便優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作工藝，從而提高生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)效益。在這種情況下迫切需要高精度的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)聚合物產(chǎn)品的快速動(dòng)態(tài)全場(chǎng)在線測(cè)量。 </p><p><b>　　系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì) </b></p><p><b>　　系統(tǒng)整體框圖 </b></p><p>　　本系統(tǒng)中，由單片

9、機(jī)控制系統(tǒng)整個(gè)測(cè)量電路，以實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的采集和計(jì)算。整個(gè)系統(tǒng)硬件框圖如圖3-1所示。下面分別就本控制器所采用的硬件和硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹（其中電源模塊部分本系統(tǒng)采用成品電源，并不在本設(shè)計(jì)之內(nèi)）。 </p><p>　　圖3-1 雜質(zhì)測(cè)量?jī)x硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 </p><p><b>　　主要器件的選擇 </b></p><p><b>　

10、　微處理器的選擇 </b></p><p>　　本系統(tǒng)中選擇了宏晶公司的STC89C54RD+型單片機(jī)。STC89C54RD+型單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。 </p><p><b>　　CCD器件選取 </b></p>&

11、lt;p>　　在本系統(tǒng)中，聚合物薄膜的移動(dòng)速度是20mm/s,要求CCD的行分辨率達(dá)到20&micro;m，則CCD的行掃描頻率至少不低于1kHz，為實(shí)現(xiàn)較為精確的缺陷識(shí)別，系統(tǒng)要求每行采集1024個(gè)像元，即CCD信號(hào)采集速率至少要達(dá)到2MHz。 </p><p>　　綜合以上考慮，本系統(tǒng)選用日本東芝公司生產(chǎn)的線陣CCD（TCD132D）。 </p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器

12、的選取 </p><p>　　在本系統(tǒng)中由于需要對(duì)背景光強(qiáng)、閾值電壓、調(diào)焦電壓等多路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并要求抗干擾以及成本適中，所以在本系統(tǒng)中選擇了TI公司生產(chǎn)的多通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC2543。TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；且價(jià)格適中，分辨率較高，在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。 </p>

13、<p>　　D/ A轉(zhuǎn)換器的選取 </p><p>　　系統(tǒng)中由于需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確的控制，本系統(tǒng)中采用變頻器來(lái)控制三相交流電機(jī)，只需要給變頻器0~10V直流電壓即可實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)調(diào)速，這就要求產(chǎn)生直流電壓的D/A轉(zhuǎn)換器有很高的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率，并且占用單片機(jī)I/O口少。綜合系統(tǒng)要求，在本系統(tǒng)中選用了TI公司生產(chǎn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5615。TLC5615性能價(jià)格比高，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)很方便購(gòu)買。 &

14、lt;/p><p>　　CCD驅(qū)動(dòng)及其信號(hào)處理 </p><p>　　CCD作為光電圖像傳感器在許多領(lǐng)域里得到廣泛的應(yīng)用。被檢測(cè)對(duì)象的光信息通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)成像于CCD的光敏面上，CCD的像敏單元將其上的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電荷量，存于器件的相應(yīng)位置。CCD在一定頻率的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，將所存信號(hào)以一定的方式輸出，便在CCD的輸出端獲得被測(cè)圖像的視頻信號(hào)。 </p><p>　　

15、TCD132D詳細(xì)介紹及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) </p><p>　　電荷耦合器件簡(jiǎn)稱CCD，它具有光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)存儲(chǔ)和信號(hào)傳輸(自掃描)的功能，在圖象傳感、信息處理和信息存儲(chǔ)等方面應(yīng)用廣泛。日本東芝公司生產(chǎn)的TCD132D 線陣CCD，由于其內(nèi)部有驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)前放，故外接脈沖信號(hào)很簡(jiǎn)單。 </p><p>　　在本系統(tǒng)中，CCD的驅(qū)動(dòng)電路采用了CPLD器件（EPM7032STC44）來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈

16、沖，由于可編程邏輯器件的集成度高、編程簡(jiǎn)單（可以通過(guò)硬件編程語(yǔ)言vhdl語(yǔ)言等來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)圖形化編程實(shí)現(xiàn)）、成本低、保密性好、工作可靠性高等特點(diǎn)，使得它在業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用。 </p><p>　　CCD信號(hào)處理單元的設(shè)計(jì) </p><p><b>　　二值化處理方法 </b></p><p>　　線陣CCD輸出的視頻信號(hào)中已經(jīng)含有雜質(zhì)顆粒

17、的直徑信息和位置信息，但是必須首先將這些信息二值化，才能將這些信息提取出來(lái)，從而得到雜質(zhì)顆粒的直徑尺寸和位置坐標(biāo)值。二值化處理方法很多，常用的有固定閾值法、浮動(dòng)閾值法與微分法。本系統(tǒng)所采用的為浮動(dòng)閾值法。 </p><p>　　浮動(dòng)閾值法是使電壓比較器的閾值電壓隨測(cè)量系統(tǒng)的光源或隨CCD輸出視頻信號(hào)的幅值浮動(dòng)。這樣，當(dāng)光源強(qiáng)度變化引起CCD的視頻信號(hào)起伏變化時(shí)，可以通過(guò)電路將光源的起伏或CCD視頻信號(hào)的起伏變化反

18、饋到閾值上，使閾值電壓跟著變化，從而使二值化方波脈沖的寬度基本不變。圖3-2所示為浮動(dòng)閾值二值化電路的原理圖，采樣保持器采得線陣CCD在該周期中輸出的背景信號(hào)，并將其保持到這個(gè)周期；跟隨器輸出信號(hào)通過(guò)電位器RP送到電壓比較器，提供二值化閾值。 </p><p>　　圖3-2浮動(dòng)閾值二值化電路原理 </p><p>　　CCD信號(hào)背景光強(qiáng)檢測(cè)以及提取浮動(dòng)閾值電路 </p>&l

19、t;p>　　為了能夠調(diào)整合適的閾值，需要對(duì)信號(hào)的背景光強(qiáng)和浮動(dòng)閾值調(diào)整到一定的比例。CCD經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)1：1同相比例放大，得到信號(hào)TST1，在經(jīng)過(guò)一級(jí)跟隨送到采樣保持器，輸出點(diǎn)CK1即為閾值電壓的基準(zhǔn)電壓，再經(jīng)一級(jí)采樣保持器，得到的信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換電路中，得到背景光強(qiáng)信號(hào)的值。圖中，由D1、R6、CD5、R7、U2B以及Q1組成的電路是為了解決當(dāng)熱熔狀態(tài)帶狀聚合物內(nèi)有氣泡或者是小孔的情況下，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)向上的尖峰問(wèn)

20、題，信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓得到很小的信號(hào)，當(dāng)有尖峰來(lái)到時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大來(lái)使三極管導(dǎo)通，把尖峰信號(hào)對(duì)地短掉，這樣尖峰信號(hào)就不會(huì)被傳送后級(jí)，由于后級(jí)為采樣保持器，所以當(dāng)出現(xiàn)短暫的地信號(hào)是不會(huì)影響整體背景光強(qiáng)信號(hào)采樣和浮動(dòng)閾值的。 </p><p><b>　　A/D轉(zhuǎn)換電路 </b></p><p>　　A/D芯片選用的是TLC2543，其基準(zhǔn)電壓用REF198來(lái)產(chǎn)生。通過(guò)A/D

21、轉(zhuǎn)換，把一些CCD的背景信號(hào)、閾值電壓信號(hào)、調(diào)焦信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，通過(guò)單片機(jī)來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理后送入到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)與處理。 </p><p>　　電機(jī)控制與轉(zhuǎn)速測(cè)量電路設(shè)計(jì) </p><p>　　電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　本系統(tǒng)選用的電機(jī)為三相交流電機(jī)，采用變頻器來(lái)控制電機(jī)，所要設(shè)計(jì)的電路分為兩部分：一部分為控制電機(jī)起停電路，另一部分為電機(jī)調(diào)速

22、電路?？刂齐姍C(jī)起停電路采用的方案是用單片機(jī)的一個(gè)I/O口來(lái)控制光耦的導(dǎo)通或關(guān)斷，繼而控制一個(gè)小型繼電器的導(dǎo)通或關(guān)斷，其中MT+、MT-接在變頻器的起?？刂贫恕?</p><p>　　電機(jī)調(diào)速是用單片機(jī)來(lái)控制D/A輸出0~10V直流電壓信號(hào)送到變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電路中把單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)光耦隔離輸出至D/A （TLC5615），D/A的基準(zhǔn)電壓是由MC1403來(lái)提供的，D/A輸出的模擬信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大輸出至變頻

23、器，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)調(diào)速功能。D/A的最大輸出大約為4.99V，再經(jīng)過(guò)后級(jí)的同相比例放大，調(diào)整電位器為合適的值，使輸出模擬電壓信號(hào)在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)。 </p><p>　　電機(jī)測(cè)速電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　電機(jī)測(cè)速在本系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著測(cè)量縱向位置信息以及抽樣檢測(cè)等重要的工作。采用光電編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量是具有很高的精度的，通過(guò)對(duì)光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)或者測(cè)量其頻率，通過(guò)簡(jiǎn)單

24、的計(jì)算就能得到被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速。選用200線輸出的編碼器，編碼器輸出信號(hào)至三極管后經(jīng)兩個(gè)非門進(jìn)行整形，整形后的信號(hào)被送至計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算其頻率，從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速， </p><p>　　單片機(jī)通信模塊與打點(diǎn)標(biāo)記電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　單片機(jī)通信部分為本系統(tǒng)的核心，是本系統(tǒng)連接上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)通信的樞紐，在很多工業(yè)控制環(huán)境中，一般用一臺(tái)工控機(jī)連接幾臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備

25、或者檢測(cè)設(shè)備，使控制與檢測(cè)更加的方便、快捷，并根據(jù)工作狀態(tài)去記錄各個(gè)儀器的工作狀態(tài)。在一個(gè)很復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境中，通信單元應(yīng)該對(duì)環(huán)境有很強(qiáng)的抗干擾能力，在本系統(tǒng)中采用光耦隔離技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在通信上的抗干擾能力。 </p><p>　　為了能夠在儀器做抽樣實(shí)驗(yàn)后，去檢測(cè)雜質(zhì)顆粒的具體形態(tài)與成分等，本系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了能夠在測(cè)量到雜質(zhì)顆粒的地方打上標(biāo)記的單元，以 </p><p>　　提供專業(yè)人員繼續(xù)

26、分析雜質(zhì)的信息，在通過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制生產(chǎn)環(huán) </p><p>　　境、生產(chǎn)工藝等來(lái)提高聚合原材料產(chǎn)品的潔凈度。圖3-3所示為打點(diǎn)器的電路，通過(guò)控制PT端的邏輯電平來(lái)使光電耦合器導(dǎo)通或關(guān)斷，輸出PT+信號(hào)（為+12V或0V電壓）來(lái)控制繼電器實(shí)現(xiàn)打點(diǎn)功能。 </p><p>　　圖3-3打點(diǎn)器電路 </p><p><b>　　本章小結(jié) </b&g

27、t;</p><p>　　詳細(xì)介紹了CCD驅(qū)動(dòng)、CCD信號(hào)處理電路以及其他系統(tǒng)硬件各單元電路的設(shè)計(jì)，其中包括了電機(jī)控制電路、速度檢測(cè)電路、打點(diǎn)器電路、通信模塊的設(shè)計(jì)。在本章最后提到了在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中如何解決抗干擾的方法，并在附錄中給出本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理圖。 </p><p><b>　　結(jié)論 </b></p><p>　　本文針對(duì)聚合物雜質(zhì)顆粒的

28、特性，以線陣CCD進(jìn)行測(cè)量其特征量而設(shè)計(jì)了基于工業(yè)總線控制的在線聚合物雜質(zhì)測(cè)量?jī)x。 </p><p>　　高速采樣測(cè)量，抽樣完成聚合物雜質(zhì)顆粒含量的檢測(cè)是最基本的功能，在以上基礎(chǔ)上，能夠得到雜質(zhì)顆粒更加詳細(xì)的信息是本系統(tǒng)主要做的工作。 </p><p>　　論文給出了本系統(tǒng)的具體電路結(jié)構(gòu)，包括CCD檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)、CCD信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)、電機(jī)控制與測(cè)速電路設(shè)計(jì)、通信電路設(shè)計(jì)、隔離驅(qū)動(dòng)和保

29、護(hù)電路設(shè)計(jì)。并對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行原理調(diào)試，得出了大量試驗(yàn)波形，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)原理的合理性。 </p><p>　　由于時(shí)間的限制，設(shè)計(jì)還存在很多不足的地方，如一些參數(shù)的設(shè)計(jì)不一定最優(yōu)等。隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)處理速度和任務(wù)調(diào)度的靈活性有了很大提高。希望能夠進(jìn)一步將這些新的技術(shù)融入機(jī)器視覺中去，給圖像分析和測(cè)量技術(shù)帶來(lái)更大的發(fā)展空間。 </p><p>　　附錄ACCD驅(qū)動(dòng)電路原理圖 <