摘要：為了實(shí)現(xiàn)煙支剔除的自動(dòng)化程度，減少人為干預(yù)量和提高剔除精度，文中給出了采用FPGA" title="FPGA">FPGA硬件編程方法將數(shù)據(jù)采集部件采集到的煙支數(shù)據(jù)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送入FPGA，然后根據(jù)一定的判決算法輸出控制信號(hào)，以用于控制剔除閥動(dòng)作，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)串口讀入上位機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)械剔除控制和顯示實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：FPGA；煙支檢測(cè)" title="煙支檢測(cè)">煙支檢測(cè)；數(shù)據(jù)處理；問(wèn)題煙；剔除
0 引言
煙支在生產(chǎn)過(guò)程中，由于多種因素的影響，可能會(huì)使成品煙的煙絲填充不均勻，煙支的某節(jié)煙絲過(guò)少或過(guò)多，從而出現(xiàn)空頭煙、超重?zé)煛⒊p煙。本系統(tǒng)采用可編程器件控制煙支檢測(cè)，該方法較其他單獨(dú)硬件設(shè)計(jì)具有可重用性高，編程方便，設(shè)計(jì)成本低，開(kāi)發(fā)周期短，控制靈活，剔除率高等優(yōu)點(diǎn)；再者，現(xiàn)在的煙支剔除大部分都是人工挑選，故存在工人工作量大，挑選不干凈等問(wèn)題，而該系統(tǒng)可使問(wèn)題煙的判別、剔除工作自動(dòng)進(jìn)行，可對(duì)問(wèn)題煙進(jìn)行挑選，并能夠剔除問(wèn)題煙。
1 硬件設(shè)計(jì)
煙支檢測(cè)系統(tǒng)是用于檢測(cè)煙支某些參數(shù)(如空頭煙、重量、密度等)的一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般可由數(shù)據(jù)采集(傳感器)部件、數(shù)據(jù)處理部件、數(shù)據(jù)顯示部件、機(jī)械控制部件等幾個(gè)部分構(gòu)成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。
其中數(shù)據(jù)采集部件是系統(tǒng)與被檢測(cè)參數(shù)最直接接觸的部分，它是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源。后期處理是否跟實(shí)際一致，直接跟它相關(guān)。一般對(duì)應(yīng)不同的物理量，應(yīng)選擇不同的傳感器，如空頭煙檢測(cè)可選擇光電探頭或電容式探頭，重量控制可選擇重量傳感器，密度控制則應(yīng)選擇密度傳感器。
數(shù)據(jù)處理部件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，傳感器采集的數(shù)據(jù)主要送往該部件進(jìn)行處理。它一般可由A／D采樣板，差分傳輸板，F(xiàn)PGA處理主板組成。傳感器一般得到的數(shù)據(jù)是模擬量，故應(yīng)將數(shù)據(jù)送到數(shù)字處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，以將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字量來(lái)進(jìn)行后期處理。為了保證傳輸?shù)恼_性和可靠性，在A／D采樣板送出數(shù)據(jù)到系統(tǒng)主板之間應(yīng)使用雙絞線差分傳輸。系統(tǒng)主板主要是以FPGA為核心的控制板，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理(剔除)算法，并為后面的機(jī)械部分提供控制信號(hào)以及將采集和運(yùn)算數(shù)據(jù)送到顯示器進(jìn)行顯示，從而滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
數(shù)據(jù)顯示部件也稱(chēng)為人機(jī)交互接口，該部件是整個(gè)系統(tǒng)的最直觀的表現(xiàn)。它是用戶跟系統(tǒng)進(jìn)行交互的主要部分，用戶可以在其上面選擇一些閾值和處理方法等參數(shù)，也可以控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。同時(shí)，系統(tǒng)再將一些重要數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，使用戶能夠直觀得出該系統(tǒng)的工作狀況等參數(shù)。
機(jī)械控制部件是整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作的執(zhí)行者，因?yàn)橄到y(tǒng)板內(nèi)部都是弱電，不能驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件動(dòng)作，故在其中間需加驅(qū)動(dòng)電路，以使其能夠正常工作。其工作主要是當(dāng)數(shù)據(jù)處理部件根據(jù)一定的判決算法得到某煙為問(wèn)題煙時(shí)，對(duì)這些問(wèn)題煙進(jìn)行剔除。從而使系統(tǒng)能夠自動(dòng)的檢測(cè)出問(wèn)題煙并控制剔除動(dòng)作，減少人工的干預(yù)量，達(dá)到自動(dòng)化的目標(biāo)。
2 器件選型
2．1 數(shù)據(jù)采集部件(探頭)的選擇
數(shù)據(jù)采集部件一般位于整個(gè)系統(tǒng)的最前端，它的選型對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可行性有很大影響，本系統(tǒng)選擇光電傳感器作為探頭來(lái)對(duì)煙支的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，它的靈敏度直接與剔除率有關(guān)。為了讓剔除效果達(dá)到最好，探頭靈敏度必須調(diào)整到合適的設(shè)置值。
靈敏度包括靜態(tài)靈敏度和動(dòng)態(tài)靈敏度兩種，靜態(tài)靈敏度主要是在靜態(tài)情況下探頭的光反射強(qiáng)度與探頭距煙頭的距離、日光、煙頭密度及探頭電壓等之間的關(guān)系；動(dòng)態(tài)靈敏度是動(dòng)態(tài)情況下的性能指標(biāo)。本系統(tǒng)是讓探頭工作在不同的靈敏度下分析剔除率和誤剔率，從而選定剔除性能最好的靈敏度器件。動(dòng)態(tài)靈敏度的另一個(gè)影響因素為動(dòng)態(tài)位置誤差，即在采樣時(shí)間內(nèi)，由輪盤(pán)(與軸編碼器同步)轉(zhuǎn)動(dòng)造成的位置變化所引起的探頭誤差，這里主要從位置誤差和探頭作用距離上比較，圖2所示是動(dòng)態(tài)位置誤差示意圖。
在圖2中，R表示推煙板曲軸的輪盤(pán)半徑，一次采樣過(guò)程的起點(diǎn)為p1，結(jié)束位置為p2，該段持續(xù)時(shí)間內(nèi)的曲軸誤差為δr，其中：
若所選A／D采樣速率為50kHz，采樣周期為2×15-5s，那么，按每分鐘400轉(zhuǎn)計(jì)算，一次采樣時(shí)間內(nèi)的輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)弧度為：
取采樣10次的平均，其位置誤差不到4μm。而根據(jù)探頭的位置響應(yīng)曲線，探頭的最佳檢測(cè)距離在離煙2～3．5mm處，2mm>>4μm，所以，理想情況下由動(dòng)態(tài)位置引起的誤差可忽略不計(jì)。
根據(jù)以上分析，本設(shè)計(jì)選用韓國(guó)KODENSHI公司的SG-2BC傳感器。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換器的選擇
ADS7841E是德州儀器公司開(kāi)發(fā)的一塊4通道，12位，帶串行接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它是一塊低功耗、高速度、高精確度的A／D采樣芯片，電壓為2．7～5 V，可達(dá)到200kHz的轉(zhuǎn)換速率。根據(jù)筆者對(duì)探頭的測(cè)試，探頭檢測(cè)的最小變化為0．5V左右，而A／D采樣的分辨率為3．3／212V≈8×10-4V，所以，該AD采樣芯片完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。
2．3 FPGA的選擇
該系統(tǒng)采用EP3C16Q" title="EP3C16Q">EP3C16Q型FPGA進(jìn)行控制邏輯編程。該器件是ALXERA公司生產(chǎn)的CycloneII" title="CycloneII">CycloneII系列高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，而且具有豐富的邏輯資源。EP3C16Q具有15408個(gè)邏輯單元、56個(gè)嵌入式乘法器和4個(gè)鎖相環(huán)(PLL)，其內(nèi)部的RAM容量為504Kbits，系統(tǒng)頻率高達(dá)260MHz，而且穩(wěn)定性很高。采用單片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)邏輯控制和數(shù)據(jù)處理功能可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性并節(jié)約成本。設(shè)計(jì)時(shí)，只需一根下載電纜連接到目標(biāo)板上，就可以多次重復(fù)編程，而且電路調(diào)試十分方便。
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的核心處理程序可采用QUARTUSII7．2軟件和Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，而上位機(jī)軟件則可采用Delphi7軟件進(jìn)行編寫(xiě)，其核心部分是數(shù)據(jù)處理部件，它主要由A／D采樣、差分傳輸和FPGA數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成，為了使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加方便，且便于控制，選擇FPGA對(duì)剔除問(wèn)題煙的算法非常關(guān)鍵。圖3所示是整個(gè)系統(tǒng)的程序框圖。
3．1 A／D采樣
ADS7841E是一款4通道12位的A／D轉(zhuǎn)換芯片，它是由時(shí)鐘控制的串行輸入芯片，芯片DIN中的A2、A1、A0位是通道選擇位，MODE位是12b-it／8bit轉(zhuǎn)換選擇位，本設(shè)計(jì)選擇高精度的12bit轉(zhuǎn)換，SGL／DIF位用于選擇是單端轉(zhuǎn)換還是差分轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)選擇單端轉(zhuǎn)換。ADS7841E模塊的軟件設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。
圖4中，clkin為系統(tǒng)時(shí)鐘，CH1～CH7為ADS7841E芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)果并行輸出，該數(shù)據(jù)可送往FPGA進(jìn)行判決處理。
3．2 FPGA數(shù)據(jù)的處理
在對(duì)FPGA數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，可以采用均值剔除算法。所謂均值剔除算法，就是用一個(gè)樣本的當(dāng)前值與一個(gè)參考值相減，然后取絕對(duì)值，如果結(jié)果超過(guò)某一門(mén)限，就說(shuō)明其不符合要求，故可舍棄這個(gè)數(shù)據(jù)。假設(shè)隨機(jī)變量X具有數(shù)學(xué)期望μ和方差σ2，那么，對(duì)于任意正數(shù)ε，其不等式(6)成立：
不等式(6)稱(chēng)為切比雪夫不等式，若令ε=3σ，則可得到：
其中，μ為正態(tài)分布的期望，σ為正態(tài)分布的均方差。由式(8)可知，對(duì)于正態(tài)隨機(jī)變量來(lái)說(shuō)，它的值落在區(qū)間[μ-3σ，μ+3σ]內(nèi)幾乎是必然的事件，這就是3σ規(guī)則。
由于均值剔除算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且剔除效率比較高，因此，該系統(tǒng)選擇均值剔除算法作為實(shí)驗(yàn)算法來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可能性和穩(wěn)定性。其判別模塊的原理圖如圖5所示。
圖5中，clkin為系統(tǒng)時(shí)鐘，enclk為系統(tǒng)同步時(shí)鐘，control為控制信號(hào)輸出。將該控制信號(hào)送往驅(qū)動(dòng)板，即可控制機(jī)械部件以剔除問(wèn)題煙，datain為前端A／D采樣輸出的數(shù)據(jù)。
3．3 系統(tǒng)原理實(shí)現(xiàn)
FPGA程序中還應(yīng)包括A／D采樣控制、算法判決、問(wèn)題煙檢出后的剔除信號(hào)產(chǎn)生以及上位機(jī)的顯示等功能。
整個(gè)系統(tǒng)的同步由軸編碼器控制，軸編碼器的轉(zhuǎn)速與正常卷煙機(jī)的速度一致，也就是說(shuō)，煙條的下落速度越快，軸編碼器的轉(zhuǎn)速越快。現(xiàn)在，大部分煙機(jī)的速度可達(dá)400轉(zhuǎn)／秒，煙條下落一根，軸編碼器轉(zhuǎn)一圈(360°)。其系統(tǒng)的整體軟件實(shí)現(xiàn)原理圖如圖6所示。
圖6所示的整個(gè)系統(tǒng)包括A／D轉(zhuǎn)換模塊、判決模塊和顯示模塊三部分。其中clkin為系統(tǒng)時(shí)鐘，ain，bin，zin為軸編碼器的輸入信號(hào)，輸出的脈沖enclk為整個(gè)系統(tǒng)的同步時(shí)鐘，該時(shí)鐘由軸編碼器產(chǎn)生。判決模塊中的主要輸出為均值(aver)、方差(variance)、剔除控制信號(hào)(co-ntrol)；顯示模塊主要將判決模塊輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)串口送往上位機(jī)顯示，TxD為系統(tǒng)與上位機(jī)的接口，用于傳輸系統(tǒng)所需顯示的數(shù)據(jù)和用戶需要控制的參數(shù)。
4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證
該煙支檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)條件是常溫，F(xiàn)PGA主板為5V轉(zhuǎn)3．3V供電，剔除控制板的電源電壓為24V，模擬煙機(jī)的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)／秒(該數(shù)據(jù)通過(guò)顯示器進(jìn)行顯示得出)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在下煙道中放置一定數(shù)量的正常煙，再放置一些問(wèn)題煙(如空頭煙)，然后通過(guò)探頭采集數(shù)據(jù)并送往A／D采樣芯片，再將得出的數(shù)字信號(hào)送到FPGA中進(jìn)行處理，并計(jì)算出判決量，再根據(jù)一定的剔除算法判決出問(wèn)題煙，然后產(chǎn)生一個(gè)剔除控制信號(hào)去控制煙機(jī)上的剔除裝置，以將問(wèn)題煙剔除，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果中一些必要的量、剔除的煙支數(shù)、剔除率實(shí)時(shí)的顯示到上位機(jī)，以供用戶查看和了解煙機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。
5 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的大量實(shí)際測(cè)驗(yàn)可知，該系統(tǒng)能夠很好的剔除問(wèn)題煙，并把相關(guān)的數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示，同時(shí)還可以跟用戶進(jìn)行交互，剔除率可以達(dá)到70％左右，可以達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)要求，滿足工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求。
本系統(tǒng)雖以煙支檢測(cè)為例，但如更換前端的傳感器與后端的機(jī)械控制部件，對(duì)于其他物體的狀態(tài)監(jiān)測(cè)同樣適用，也可以作為數(shù)據(jù)采集與處理的一個(gè)通用平臺(tái)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。