基于工業(yè)總線控制的在線聚合物雜質(zhì)測量儀的硬件設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于工業(yè)總線控制的在線聚合物雜質(zhì)測量儀的硬件設(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題。為了解決這一難題，本文針對工業(yè)總線控制的在線聚合物雜質(zhì)測量系統(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)測量技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)，完成了對聚合物雜質(zhì)測量系統(tǒng)的

2、設(shè)計(jì)。 </p><p>　　本文敘述了聚合物雜質(zhì)測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對其中的驅(qū)動電路、檢測電路、通信電路作了詳盡的分析與設(shè)計(jì)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞CCD；信號處理；單片機(jī)；工業(yè)總線 </p><p>　　中圖分類號：P204 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，此行不會被打印 </p><p>　　千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行

6、不會被打印。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)單元通過共價(jià)鍵連接起來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，與國際接軌，走向國際市場，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)品的檢測必須具有速度快、精度高、在線自動檢測的特點(diǎn)。這樣不但可以減輕工人勞動強(qiáng)度、降低工作復(fù)雜度，還可以降低生產(chǎn)與檢測過程中的人為因素，使檢測結(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檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)聚合物產(chǎn)品的快速動態(tài)全場在線測量。 </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)測量儀硬件系統(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)較為精確的缺陷識別，系統(tǒng)要求每行采集1024個(gè)像元，即CCD信號采集速率至少要達(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)中由于需要對背景光強(qiáng)、閾值電壓、調(diào)焦電壓等多路信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，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)中由于需要對電機(jī)進(jìn)行精確的控制，本系統(tǒng)中采用變頻器來控制三相交流電機(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，目前在國內(nèi)市場很方便購買。 &

14、lt;/p><p>　　CCD驅(qū)動及其信號處理 </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。被檢測對象的光信息通過光學(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)動下，將所存信號以一定的方式輸出，便在CCD的輸出端獲得被測圖像的視頻信號。 </p><p>　　

15、TCD132D詳細(xì)介紹及驅(qū)動電路設(shè)計(jì) </p><p>　　電荷耦合器件簡稱CCD，它具有光電轉(zhuǎn)換、信號存儲和信號傳輸(自掃描)的功能，在圖象傳感、信息處理和信息存儲等方面應(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)動電路及信號前放，故外接脈沖信號很簡單。 </p><p>　　在本系統(tǒng)中，CCD的驅(qū)動電路采用了CPLD器件（EPM7032STC44）來產(chǎn)生驅(qū)動脈

16、沖，由于可編程邏輯器件的集成度高、編程簡單（可以通過硬件編程語言vhdl語言等來實(shí)現(xiàn)，也可通過圖形化編程實(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，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、浮動閾值法與微分法。本系統(tǒng)所采用的為浮動閾值法。 </p><p>　　浮動閾值法是使電壓比較器的閾值電壓隨測量系統(tǒng)的光源或隨CCD輸出視頻信號的幅值浮動。這樣，當(dāng)光源強(qiáng)度變化引起CCD的視頻信號起伏變化時(shí)，可以通過電路將光源的起伏或CCD視頻信號的起伏變化反

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，并將其保持到這個(gè)周期；跟隨器輸出信號通過電位器RP送到電壓比較器，提供二值化閾值。 </p><p>　　圖3-2浮動閾值二值化電路原理 </p><p>　　CCD信號背景光強(qiáng)檢測以及提取浮動閾值電路 </p>&l

19、t;p>　　為了能夠調(diào)整合適的閾值，需要對信號的背景光強(qiáng)和浮動閾值調(diào)整到一定的比例。CCD經(jīng)驅(qū)動電路輸出的信號經(jīng)過一級1：1同相比例放大，得到信號TST1，在經(jīng)過一級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)一級采樣保持器，得到的信號送入A/D轉(zhuǎn)換電路中，得到背景光強(qiáng)信號的值。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，信號會出現(xiàn)向上的尖峰問

20、題，信號經(jīng)過分壓得到很小的信號，當(dāng)有尖峰來到時(shí)，會經(jīng)過運(yùn)放放大來使三極管導(dǎo)通，把尖峰信號對地短掉，這樣尖峰信號就不會被傳送后級，由于后級為采樣保持器，所以當(dāng)出現(xiàn)短暫的地信號是不會影響整體背景光強(qiáng)信號采樣和浮動閾值的。 </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來產(chǎn)生。通過A/D

21、轉(zhuǎn)換，把一些CCD的背景信號、閾值電壓信號、調(diào)焦信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)來進(jìn)行簡單的處理后送入到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測與處理。 </p><p>　　電機(jī)控制與轉(zhuǎn)速測量電路設(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?。 </p><p>　　電機(jī)調(diào)速是用單片機(jī)來控制D/A輸出0~10V直流電壓信號送到變頻器來實(shí)現(xiàn)的。電路中把單片機(jī)的數(shù)字信號通過光耦隔離輸出至D/A （TLC5615），D/A的基準(zhǔn)電壓是由MC1403來提供的，D/A輸出的模擬信號經(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)過后級的同相比例放大，調(diào)整電位器為合適的值，使輸出模擬電壓信號在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)。 </p><p>　　電機(jī)測速電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　電機(jī)測速在本系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著測量縱向位置信息以及抽樣檢測等重要的工作。采用光電編碼器實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的測量是具有很高的精度的，通過對光電編碼器輸出的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)或者測量其頻率，通過簡單

24、的計(jì)算就能得到被測物體的轉(zhuǎn)速。選用200線輸出的編碼器，編碼器輸出信號至三極管后經(jīng)兩個(gè)非門進(jìn)行整形，整形后的信號被送至計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻，通過單片機(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，一般用一臺工控機(jī)連接幾臺生產(chǎn)設(shè)備

25、或者檢測設(shè)備，使控制與檢測更加的方便、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，在通過在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制生產(chǎn)環(huán) </p><p>　　境、生產(chǎn)工藝等來提高聚合原材料產(chǎn)品的潔凈度。圖3-3所示為打點(diǎn)器的電路，通過控制PT端的邏輯電平來使光電耦合器導(dǎo)通或關(guān)斷，輸出PT+信號（為+12V或0V電壓）來控制繼電器實(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、CCD信號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>　　本文針對聚合物雜質(zhì)顆粒的

28、特性，以線陣CCD進(jìn)行測量其特征量而設(shè)計(jì)了基于工業(yè)總線控制的在線聚合物雜質(zhì)測量儀。 </p><p>　　高速采樣測量，抽樣完成聚合物雜質(zhì)顆粒含量的檢測是最基本的功能，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檢測電路的設(shè)計(jì)、CCD信號處理電路的設(shè)計(jì)、電機(jī)控制與測速電路設(shè)計(jì)、通信電路設(shè)計(jì)、隔離驅(qū)動和保

29、護(hù)電路設(shè)計(jì)。并對試驗(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，給圖像分析和測量技術(shù)帶來更大的發(fā)展空間。 </p><p>　　附錄ACCD驅(qū)動電路原理圖 <