基于諧振腔和DSP的煙支密度濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計

張志偉

摘要:針對核掃描檢測和紅外檢測技術(shù)的不足,設(shè)計了基于微波諧振腔和DSP的煙支密度與濕度微波檢測系統(tǒng)?系統(tǒng)包括探測腔體?微波處理模塊?數(shù)據(jù)采集與處理模塊三部分,探測腔體和微波處理模塊通過測量諧振頻率和幅度數(shù)據(jù),計算出諧振頻率偏移量和半功率帶寬變化量,以DSP芯片作為核心器件的數(shù)據(jù)采集和處理模塊負(fù)責(zé)實時測量數(shù)據(jù)的采集?運算和上位機通信?試驗結(jié)果表明,該檢測系統(tǒng)能快速測定諧振腔微波參數(shù)的變化量,實時反映被測煙條的密度水分?jǐn)?shù)據(jù)?

關(guān)鍵詞:微波諧振腔;DSP;數(shù)據(jù)采集;檢測;設(shè)計

中圖分類號:TN06;S572文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0439-8114(2014)11-2666-04

Designing Detection System of Cigarette Density and Humidity Based on DSP

and Resonant Cavity

ZHANG Zhi-wei

(School of Physical and Telecommunication Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi, China)

Abstract: Aiming at the defects of nuclear scan detection and infrared detection, detection system of cigarette density and humidity based on DSP and microwave cavity was designed. The system included detecting cavity, microwave processing module, data acquisition and processing module. The first two parts were dealed with calculating the resonant frequency offset and the half power-bandwidth variation through measuring the resonance frequency and the amplitude data. The data acquisition and processing module was responsible for the real-time measurement data collection, operation, and PC communication with DSP chip as the key device. Results showed that the detection system could quickly detect changes of microwave resonator parameters and reflect the density of the cigarette measured.

Key words: microwave cavity;DSP;data collection;detection;design

基金項目:教育部科學(xué)技術(shù)研究重點項目(212177); 陜西省教育廳科學(xué)研究計劃項目(2013JK0852); 陜西省教育廳2014年科學(xué)研究計劃項目

當(dāng)前,在我國卷煙生產(chǎn)線上的煙支重量控制系統(tǒng)中,采用的檢測手段大多是核掃描檢測,少量也在使用紅外檢測技術(shù),它們分別采用放射性核射線和紅外線對煙條進(jìn)行檢測?在實際生產(chǎn)中,核掃描傳感器具有測量精度高的優(yōu)點,在重量控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)測量高速通過煙條的密度,然后以脈沖低電平的形式提供給重量控制的計算機進(jìn)行計算?由于其使用放射性物質(zhì)鍶-90作為探測源,存在較大的使用和維護風(fēng)險?紅外型掃描器安全性高,不用擔(dān)心射線泄漏,但是它的測量精度卻比較低,用于煙支密度檢測時離散性較大而造成重量控制的不穩(wěn)定,直接影響到卷煙企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟效益[1,2]?

隨著微波測量技術(shù)的發(fā)展,使得利用微波傳感器結(jié)合高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)探測煙支密度?水分成為可能?與前面的兩類檢測技術(shù)相比,微波檢測技術(shù)具有檢測精度高(近似于核掃描器的測量精度)?穩(wěn)定性好?免維護等特點,是取代核掃描檢測和紅外檢測的最佳解決方案?

1煙支密度濕度測量原理

密度濕度測量主要是利用微波測量原理,依據(jù)煙絲等介質(zhì)對微波腔諧振頻率和帶寬的影響,利用微波技術(shù)中的微擾理論,通過測量煙支通過時微波諧振腔帶寬和頻率的變化量,對煙支密度?水分進(jìn)行計算[3]?

探測腔體采用重入式諧振腔,當(dāng)沒有煙條穿過腔體即空腔時,測量空腔腔體的諧振頻率和半功率帶寬;當(dāng)高速煙條連續(xù)快速地穿過諧振腔中間的開孔時,就會引起諧振腔體的諧振頻率以及半功率帶寬發(fā)生變化,設(shè)此時諧振頻率f0偏移△f,半功率帶寬w0相應(yīng)地改變△w?

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]所建立的△f及△w與煙支水分和煙支密度的關(guān)系式,煙支相對濕度可表示為公式(1),煙支密度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為公式(2)?兩式中的參數(shù)M表示煙支相對濕度;mW表示煙支中水分質(zhì)量;V表示煙支的體積;△w表示諧振腔半功率帶寬w0變化量;mD表示煙支中除去水分(完全烘干后)的剩余質(zhì)量;△f表示諧振腔諧振頻率f0偏移量?

M=×100=26.366 7+2.926 (1)

M==0.419 141 524 9Δf-0.417 365 982 3Δw +1.189 049 271 7-0.020 294 35(2)

考慮到煙絲溫度變化的影響(設(shè)煙絲溫度為T),對公式(1)和公式(2)進(jìn)行參數(shù)化處理?在測得的Δw?Δf和煙絲溫度T的基礎(chǔ)上計算出煙支密度D(或重量),可以得到煙支密度標(biāo)定方程為公式(3)所示,標(biāo)定系數(shù)dw1?dw2?df1?df2?dp1?dp2?dc1和dc2反映密度標(biāo)定的特性,這里并不需要知道絕對水分(%);在測得的Δw?Δf 和煙絲溫度T的基礎(chǔ)上計算出煙絲水分M,可以得到煙支濕度標(biāo)定方程為公式(4),標(biāo)定系數(shù)mp1?mp2?mc1和mc2反映水分標(biāo)定的特性,與煙支密度沒有關(guān)系?

D(Δw,Δf,T)=(dw1×T+dw2)×Δw+(df1×T+df2)×Δf+

(dp1×T+dp2)×+dc1×T+dc2(3)

M(Δw,Δf,T)=(mp1×T+mp2)×+mc1×T+mc2

(4)

2微波檢測系統(tǒng)的方案設(shè)計

微波諧振腔檢測系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示,檢測系統(tǒng)主要由探測腔體?微波處理模塊和DSP處理模塊構(gòu)成?探測腔體主要完成對穿過腔體的煙條采樣,微波處理模塊主要完成微波的產(chǎn)生與檢波,DSP處理模塊為核心的數(shù)據(jù)采集與處理單元控制微波處理模塊進(jìn)行測量,然后采集測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)以及上位機的控制命令進(jìn)行相應(yīng)的輸出(包括通過微波處理模塊輸出模擬信號,通過DSP處理模塊輸出密度脈沖信號,以及通過串行通信接口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C)[5,6]?

2.1微波處理模塊設(shè)計

微波處理模塊主要完成諧振腔腔體的微波產(chǎn)生和檢波的功能,并實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的采樣和初步處理?實際上,數(shù)據(jù)采集與處理模塊并不能直接與微波諧振腔體發(fā)生作用,而是通過微波處理模塊來控制密度濕度的原始采樣數(shù)據(jù)?從微波密度測量原理知道,微波傳感器并不能直接測得密度和濕度的實際數(shù)據(jù),而是通過測量諧振頻率和幅度數(shù)據(jù),計算出諧振頻率偏移量Δf和半功率帶寬變化量Δw, 并根據(jù)煙絲溫度T,利用公式(3)和公式(4)分別計算出密度D和濕度M[7]?

微波處理模塊設(shè)計分為主通道和輔助通道,它們分別用于微波源的產(chǎn)生和源邊及副邊的檢波,考慮到傳感器尺寸限制及微波電磁場的屏蔽,微波處理模塊采用具有SPI接口的器件,這些器件在測量系統(tǒng)中都要作為SPI總線的從器件形式存在,數(shù)據(jù)處理與處理模塊和微波處理模塊的主要通信手段是兩者互連的SPI總線?數(shù)據(jù)采集與處理模塊的端口擴展采用譯碼器實現(xiàn),4-16譯碼器可以對四條片選線譯碼,譯碼后就可以控制多達(dá)16個SPI從器件?

2.2數(shù)據(jù)采集與處理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集與處理模塊在系統(tǒng)中的主要作用就是控制并采集來自微波處理模塊的測量數(shù)據(jù),面對大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)采集計算任務(wù),DSP無疑是最佳的選擇;其次,考慮到邏輯電路的設(shè)計和擴展,選擇CPLD無疑會對整個系統(tǒng)的可擴展設(shè)計帶來極大的便利;考慮到高速DSP系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信任務(wù)的繁重性,在DSP外部配置一個單片機系統(tǒng),單片機和DSP之間的數(shù)據(jù)交換使用高速雙端口RAM完成,只是需要注意DSP與雙端口RAM的電平及電流匹配?

系統(tǒng)設(shè)計中,綜合考慮系統(tǒng)的性能和開發(fā)成本等因素,確定采用高速DSP作為處理系統(tǒng)的核心,使用CPLD器件來擴展外部邏輯,并輔助簡單的單片機系統(tǒng)來管理外部通信的硬件解決方案,數(shù)據(jù)采集與處理模塊的硬件總體框圖如圖2所示?從圖2可以看出,硬件系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾個部分:DSP基本系統(tǒng)選擇TI公司高速DSP器件TMS320C5416為核心進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計,包括時鐘?電源?復(fù)位邏輯等DSP工作的基本電路;根據(jù)系統(tǒng)工作的需要,DSP外部擴展RAM?FLASH存儲器,考慮到譯碼電路及系統(tǒng)自引導(dǎo)過程中的需要,利用CPLD器件設(shè)計DSP系統(tǒng)外部的控制邏輯?

單片機系統(tǒng)設(shè)計包括單片機基本系統(tǒng)?RS232串行總線(低速通信總線)?實時時鐘/日歷功能?高速通信總線控制器(PROFIBUS-DP)等?另外還包括了單片機與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的雙端口RAM的數(shù)據(jù)通信接口?

SPI通信總線設(shè)計采用TMS320C5416的多通道串行口McBSP配置成SPI工作模式來實現(xiàn),考慮到微波處理模塊SPI從器件較多,需要結(jié)合CPLD器件設(shè)計簡單的邏輯來擴展片選總線,用于完成與微波處理模塊的SPI總線通信任務(wù)[8]?

其他功能設(shè)計包括鍵盤輸入?指示燈輸出等人機交互接口的設(shè)計,以及腔體加熱控制電路和SRM密度脈沖輸出等功能,這些功能的接口邏輯可以利用CPLD來實現(xiàn)?

2.3微波腔體加熱及恒溫控制設(shè)計

試驗表明,除去結(jié)構(gòu)?工藝等方面的因素后,傳感器諧振腔的諧振頻率還取決于溫度,溫度每升高1 ℃,諧振頻率就會下降約50 kHz,由于煙支密度對諧振頻率的靈敏度大約是0.1 mg/kHz,也就是探頭的溫度改變 1 ℃ ,煙支密度就可能改變 6 mg[4]?因此,在微波傳感器的工作過程中,微波傳感器的空氣腔和諧振腔都需要保持相對的恒溫,這是保證準(zhǔn)確測量的必要措施之一?在微波檢測系統(tǒng)中,溫度控制任務(wù)由溫度變換電路?溫度數(shù)據(jù)采集?加熱控制器?加熱控制電路以及加熱元件等部分組成,其原理框圖如圖3所示?

溫度變換電路主要完成對測溫通道的轉(zhuǎn)換和溫度電壓信號的取樣?通道轉(zhuǎn)換是加熱控制器通過功能切換電路輸出CS6?CS7信號,從而控制四選一開關(guān)選通不同的測溫通道?

溫度數(shù)據(jù)采集由DSP處理器直接控制微波處理模塊上的AD器件及選擇通道,從而完成溫度通道的數(shù)據(jù)采集工作,然后再由DSP系統(tǒng)利用SPI通信總線讀回信號?

加熱電路由加熱元件?加熱控制電路和驅(qū)動電路組成?加熱元件是指諧振腔和空氣腔外面纏繞著的錳銅絲,DSP利用加熱控制電路和外部驅(qū)動,并根據(jù)溫度數(shù)據(jù)測量計算結(jié)果以及系統(tǒng)設(shè)定的控制溫度,以兩點算法或PID方式控制諧振腔加熱及保持恒溫?

3數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計思路

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的軟件包括了DSP測量軟件設(shè)計?單片機通信軟件設(shè)計以及上位機監(jiān)控軟件設(shè)計三個部分,根據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計的特點,并結(jié)合系統(tǒng)實時性的要求,對DSP測量系統(tǒng)采用以下的軟件設(shè)計方法?

在高速DSP的軟件開發(fā)方面,主要是利用TI公司提供的CCS集成開發(fā)環(huán)境,采用了C語言與匯編語言的混合編程技術(shù),利用匯編語言指令執(zhí)行速度快的優(yōu)點,盡量縮短關(guān)鍵指令的執(zhí)行時間,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度?

依據(jù)功能需求分析編制相應(yīng)的任務(wù)模塊,并根據(jù)系統(tǒng)實時性的考慮,優(yōu)先運行數(shù)據(jù)采集和計算的工作;根據(jù)溫度控制的精度要求,溫度控制采用增量型PID控制算法,加熱系統(tǒng)首先通過自學(xué)習(xí)獲得加熱的平均功率,然后通過應(yīng)用PID運算,獲得增量數(shù)據(jù),兩者相加后用脈寬調(diào)制信號輸出?

在單片機通信軟件設(shè)計方面,根據(jù)上述硬件設(shè)計方案以及系統(tǒng)通信的總體要求,DSP和單片機通過雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,單片機負(fù)責(zé)和上位機進(jìn)行串行通信,在單片機中構(gòu)建串行通信的接收和發(fā)送隊列,并針對大量浮點數(shù)通信的特點進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?可以有效提高串行通信的效率?

4小結(jié)

為彌補卷煙生產(chǎn)中使用的核掃描及紅外型傳感器的缺陷,解決在線煙支密度水分的實時計算問題,設(shè)計了基于微波諧振腔和DSP的煙支密度濕度測量系統(tǒng)?直接利用微波測量原理推導(dǎo)出的密度濕度計算公式,使用高速DSP處理器對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集計算并輸出控制信號,完成數(shù)據(jù)的實時處理,利用加熱控制器模塊實現(xiàn)對腔體溫度的準(zhǔn)確控制?設(shè)計的微波檢測系統(tǒng)能夠連續(xù)?快速?精確測定諧振腔微波參數(shù)的變化量,完全滿足煙支濕度在線檢測中實時性和精確度的要求,若根據(jù)其他不同農(nóng)業(yè)作物的含水率數(shù)學(xué)計算模型改變系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置,該系統(tǒng)可以快速地改造成基于微波諧振腔和DSP的水分檢測系統(tǒng),應(yīng)用于糧食水分檢測領(lǐng)域或秸稈成型生產(chǎn)線[9,10]?系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)緊湊?性能穩(wěn)定?維護簡單,而且可擴展性強?應(yīng)用領(lǐng)域廣,具有廣闊的市場應(yīng)用前景?

參考文獻(xiàn):

[1] 王錦平,王鴻旻.煙支重量在線微波檢測[J].自動化博覽,2010, 27(6):66-68.

[2] 呂偉,金文良,張林法.新型煙支重量控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].硅谷,2012(22):88-89.

[3] 周永軍,牛中奇,盧智遠(yuǎn),等.微波諧振腔微擾測量法在線監(jiān)測煙支濕度及密度[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(1):102-104.

[4] 吳志剛.在線煙支密度/濕度微波諧振腔檢測系統(tǒng)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2005.

[5] 高潔,田軍民,王楊,等.基于DSP的微波煙支密度在線檢測系統(tǒng)[J].煙草科技,2010(11):22-24,35.

[6] 張杰.微波密度傳感器諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程,2009(4):108-110.

[7] 楊仁. 煙支密度的微波檢測研究[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,23(2):86-88.

[8] 高宏亮,高潔,杜勁松,等.煙支重量微波檢測系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2010,32(7):1-3.

[9] 黎澤倫,黃志誠,黃友均,等.微波水分測量儀的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(2):81-83.

[10] 陶雷,胡必友,孫曉春.秸稈成型生產(chǎn)線上微波水分檢測技術(shù)的理論研究[J].江蘇農(nóng)機化,2011(11):29-30.

微波處理模塊設(shè)計分為主通道和輔助通道,它們分別用于微波源的產(chǎn)生和源邊及副邊的檢波,考慮到傳感器尺寸限制及微波電磁場的屏蔽,微波處理模塊采用具有SPI接口的器件,這些器件在測量系統(tǒng)中都要作為SPI總線的從器件形式存在,數(shù)據(jù)處理與處理模塊和微波處理模塊的主要通信手段是兩者互連的SPI總線?數(shù)據(jù)采集與處理模塊的端口擴展采用譯碼器實現(xiàn),4-16譯碼器可以對四條片選線譯碼,譯碼后就可以控制多達(dá)16個SPI從器件?

2.2數(shù)據(jù)采集與處理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集與處理模塊在系統(tǒng)中的主要作用就是控制并采集來自微波處理模塊的測量數(shù)據(jù),面對大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)采集計算任務(wù),DSP無疑是最佳的選擇;其次,考慮到邏輯電路的設(shè)計和擴展,選擇CPLD無疑會對整個系統(tǒng)的可擴展設(shè)計帶來極大的便利;考慮到高速DSP系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信任務(wù)的繁重性,在DSP外部配置一個單片機系統(tǒng),單片機和DSP之間的數(shù)據(jù)交換使用高速雙端口RAM完成,只是需要注意DSP與雙端口RAM的電平及電流匹配?

系統(tǒng)設(shè)計中,綜合考慮系統(tǒng)的性能和開發(fā)成本等因素,確定采用高速DSP作為處理系統(tǒng)的核心,使用CPLD器件來擴展外部邏輯,并輔助簡單的單片機系統(tǒng)來管理外部通信的硬件解決方案,數(shù)據(jù)采集與處理模塊的硬件總體框圖如圖2所示?從圖2可以看出,硬件系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾個部分:DSP基本系統(tǒng)選擇TI公司高速DSP器件TMS320C5416為核心進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計,包括時鐘?電源?復(fù)位邏輯等DSP工作的基本電路;根據(jù)系統(tǒng)工作的需要,DSP外部擴展RAM?FLASH存儲器,考慮到譯碼電路及系統(tǒng)自引導(dǎo)過程中的需要,利用CPLD器件設(shè)計DSP系統(tǒng)外部的控制邏輯?

單片機系統(tǒng)設(shè)計包括單片機基本系統(tǒng)?RS232串行總線(低速通信總線)?實時時鐘/日歷功能?高速通信總線控制器(PROFIBUS-DP)等?另外還包括了單片機與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的雙端口RAM的數(shù)據(jù)通信接口?

SPI通信總線設(shè)計采用TMS320C5416的多通道串行口McBSP配置成SPI工作模式來實現(xiàn),考慮到微波處理模塊SPI從器件較多,需要結(jié)合CPLD器件設(shè)計簡單的邏輯來擴展片選總線,用于完成與微波處理模塊的SPI總線通信任務(wù)[8]?

其他功能設(shè)計包括鍵盤輸入?指示燈輸出等人機交互接口的設(shè)計,以及腔體加熱控制電路和SRM密度脈沖輸出等功能,這些功能的接口邏輯可以利用CPLD來實現(xiàn)?

2.3微波腔體加熱及恒溫控制設(shè)計

試驗表明,除去結(jié)構(gòu)?工藝等方面的因素后,傳感器諧振腔的諧振頻率還取決于溫度,溫度每升高1 ℃,諧振頻率就會下降約50 kHz,由于煙支密度對諧振頻率的靈敏度大約是0.1 mg/kHz,也就是探頭的溫度改變 1 ℃ ,煙支密度就可能改變 6 mg[4]?因此,在微波傳感器的工作過程中,微波傳感器的空氣腔和諧振腔都需要保持相對的恒溫,這是保證準(zhǔn)確測量的必要措施之一?在微波檢測系統(tǒng)中,溫度控制任務(wù)由溫度變換電路?溫度數(shù)據(jù)采集?加熱控制器?加熱控制電路以及加熱元件等部分組成,其原理框圖如圖3所示?

溫度變換電路主要完成對測溫通道的轉(zhuǎn)換和溫度電壓信號的取樣?通道轉(zhuǎn)換是加熱控制器通過功能切換電路輸出CS6?CS7信號,從而控制四選一開關(guān)選通不同的測溫通道?

溫度數(shù)據(jù)采集由DSP處理器直接控制微波處理模塊上的AD器件及選擇通道,從而完成溫度通道的數(shù)據(jù)采集工作,然后再由DSP系統(tǒng)利用SPI通信總線讀回信號?

加熱電路由加熱元件?加熱控制電路和驅(qū)動電路組成?加熱元件是指諧振腔和空氣腔外面纏繞著的錳銅絲,DSP利用加熱控制電路和外部驅(qū)動,并根據(jù)溫度數(shù)據(jù)測量計算結(jié)果以及系統(tǒng)設(shè)定的控制溫度,以兩點算法或PID方式控制諧振腔加熱及保持恒溫?

3數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計思路

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的軟件包括了DSP測量軟件設(shè)計?單片機通信軟件設(shè)計以及上位機監(jiān)控軟件設(shè)計三個部分,根據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計的特點,并結(jié)合系統(tǒng)實時性的要求,對DSP測量系統(tǒng)采用以下的軟件設(shè)計方法?

在高速DSP的軟件開發(fā)方面,主要是利用TI公司提供的CCS集成開發(fā)環(huán)境,采用了C語言與匯編語言的混合編程技術(shù),利用匯編語言指令執(zhí)行速度快的優(yōu)點,盡量縮短關(guān)鍵指令的執(zhí)行時間,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度?

依據(jù)功能需求分析編制相應(yīng)的任務(wù)模塊,并根據(jù)系統(tǒng)實時性的考慮,優(yōu)先運行數(shù)據(jù)采集和計算的工作;根據(jù)溫度控制的精度要求,溫度控制采用增量型PID控制算法,加熱系統(tǒng)首先通過自學(xué)習(xí)獲得加熱的平均功率,然后通過應(yīng)用PID運算,獲得增量數(shù)據(jù),兩者相加后用脈寬調(diào)制信號輸出?

在單片機通信軟件設(shè)計方面,根據(jù)上述硬件設(shè)計方案以及系統(tǒng)通信的總體要求,DSP和單片機通過雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,單片機負(fù)責(zé)和上位機進(jìn)行串行通信,在單片機中構(gòu)建串行通信的接收和發(fā)送隊列,并針對大量浮點數(shù)通信的特點進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?可以有效提高串行通信的效率?

4小結(jié)

為彌補卷煙生產(chǎn)中使用的核掃描及紅外型傳感器的缺陷,解決在線煙支密度水分的實時計算問題,設(shè)計了基于微波諧振腔和DSP的煙支密度濕度測量系統(tǒng)?直接利用微波測量原理推導(dǎo)出的密度濕度計算公式,使用高速DSP處理器對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集計算并輸出控制信號,完成數(shù)據(jù)的實時處理,利用加熱控制器模塊實現(xiàn)對腔體溫度的準(zhǔn)確控制?設(shè)計的微波檢測系統(tǒng)能夠連續(xù)?快速?精確測定諧振腔微波參數(shù)的變化量,完全滿足煙支濕度在線檢測中實時性和精確度的要求,若根據(jù)其他不同農(nóng)業(yè)作物的含水率數(shù)學(xué)計算模型改變系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置,該系統(tǒng)可以快速地改造成基于微波諧振腔和DSP的水分檢測系統(tǒng),應(yīng)用于糧食水分檢測領(lǐng)域或秸稈成型生產(chǎn)線[9,10]?系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)緊湊?性能穩(wěn)定?維護簡單,而且可擴展性強?應(yīng)用領(lǐng)域廣,具有廣闊的市場應(yīng)用前景?

參考文獻(xiàn):

[1] 王錦平,王鴻旻.煙支重量在線微波檢測[J].自動化博覽,2010, 27(6):66-68.

[2] 呂偉,金文良,張林法.新型煙支重量控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].硅谷,2012(22):88-89.

[3] 周永軍,牛中奇,盧智遠(yuǎn),等.微波諧振腔微擾測量法在線監(jiān)測煙支濕度及密度[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(1):102-104.

[4] 吳志剛.在線煙支密度/濕度微波諧振腔檢測系統(tǒng)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2005.

[5] 高潔,田軍民,王楊,等.基于DSP的微波煙支密度在線檢測系統(tǒng)[J].煙草科技,2010(11):22-24,35.

[6] 張杰.微波密度傳感器諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程,2009(4):108-110.

[7] 楊仁. 煙支密度的微波檢測研究[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,23(2):86-88.

[8] 高宏亮,高潔,杜勁松,等.煙支重量微波檢測系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2010,32(7):1-3.

[9] 黎澤倫,黃志誠,黃友均,等.微波水分測量儀的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(2):81-83.

[10] 陶雷,胡必友,孫曉春.秸稈成型生產(chǎn)線上微波水分檢測技術(shù)的理論研究[J].江蘇農(nóng)機化,2011(11):29-30.

微波處理模塊設(shè)計分為主通道和輔助通道,它們分別用于微波源的產(chǎn)生和源邊及副邊的檢波,考慮到傳感器尺寸限制及微波電磁場的屏蔽,微波處理模塊采用具有SPI接口的器件,這些器件在測量系統(tǒng)中都要作為SPI總線的從器件形式存在,數(shù)據(jù)處理與處理模塊和微波處理模塊的主要通信手段是兩者互連的SPI總線?數(shù)據(jù)采集與處理模塊的端口擴展采用譯碼器實現(xiàn),4-16譯碼器可以對四條片選線譯碼,譯碼后就可以控制多達(dá)16個SPI從器件?

2.2數(shù)據(jù)采集與處理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集與處理模塊在系統(tǒng)中的主要作用就是控制并采集來自微波處理模塊的測量數(shù)據(jù),面對大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)采集計算任務(wù),DSP無疑是最佳的選擇;其次,考慮到邏輯電路的設(shè)計和擴展,選擇CPLD無疑會對整個系統(tǒng)的可擴展設(shè)計帶來極大的便利;考慮到高速DSP系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信任務(wù)的繁重性,在DSP外部配置一個單片機系統(tǒng),單片機和DSP之間的數(shù)據(jù)交換使用高速雙端口RAM完成,只是需要注意DSP與雙端口RAM的電平及電流匹配?

系統(tǒng)設(shè)計中,綜合考慮系統(tǒng)的性能和開發(fā)成本等因素,確定采用高速DSP作為處理系統(tǒng)的核心,使用CPLD器件來擴展外部邏輯,并輔助簡單的單片機系統(tǒng)來管理外部通信的硬件解決方案,數(shù)據(jù)采集與處理模塊的硬件總體框圖如圖2所示?從圖2可以看出,硬件系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾個部分:DSP基本系統(tǒng)選擇TI公司高速DSP器件TMS320C5416為核心進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計,包括時鐘?電源?復(fù)位邏輯等DSP工作的基本電路;根據(jù)系統(tǒng)工作的需要,DSP外部擴展RAM?FLASH存儲器,考慮到譯碼電路及系統(tǒng)自引導(dǎo)過程中的需要,利用CPLD器件設(shè)計DSP系統(tǒng)外部的控制邏輯?

單片機系統(tǒng)設(shè)計包括單片機基本系統(tǒng)?RS232串行總線(低速通信總線)?實時時鐘/日歷功能?高速通信總線控制器(PROFIBUS-DP)等?另外還包括了單片機與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的雙端口RAM的數(shù)據(jù)通信接口?

SPI通信總線設(shè)計采用TMS320C5416的多通道串行口McBSP配置成SPI工作模式來實現(xiàn),考慮到微波處理模塊SPI從器件較多,需要結(jié)合CPLD器件設(shè)計簡單的邏輯來擴展片選總線,用于完成與微波處理模塊的SPI總線通信任務(wù)[8]?

其他功能設(shè)計包括鍵盤輸入?指示燈輸出等人機交互接口的設(shè)計,以及腔體加熱控制電路和SRM密度脈沖輸出等功能,這些功能的接口邏輯可以利用CPLD來實現(xiàn)?

2.3微波腔體加熱及恒溫控制設(shè)計

試驗表明,除去結(jié)構(gòu)?工藝等方面的因素后,傳感器諧振腔的諧振頻率還取決于溫度,溫度每升高1 ℃,諧振頻率就會下降約50 kHz,由于煙支密度對諧振頻率的靈敏度大約是0.1 mg/kHz,也就是探頭的溫度改變 1 ℃ ,煙支密度就可能改變 6 mg[4]?因此,在微波傳感器的工作過程中,微波傳感器的空氣腔和諧振腔都需要保持相對的恒溫,這是保證準(zhǔn)確測量的必要措施之一?在微波檢測系統(tǒng)中,溫度控制任務(wù)由溫度變換電路?溫度數(shù)據(jù)采集?加熱控制器?加熱控制電路以及加熱元件等部分組成,其原理框圖如圖3所示?

溫度變換電路主要完成對測溫通道的轉(zhuǎn)換和溫度電壓信號的取樣?通道轉(zhuǎn)換是加熱控制器通過功能切換電路輸出CS6?CS7信號,從而控制四選一開關(guān)選通不同的測溫通道?

溫度數(shù)據(jù)采集由DSP處理器直接控制微波處理模塊上的AD器件及選擇通道,從而完成溫度通道的數(shù)據(jù)采集工作,然后再由DSP系統(tǒng)利用SPI通信總線讀回信號?

加熱電路由加熱元件?加熱控制電路和驅(qū)動電路組成?加熱元件是指諧振腔和空氣腔外面纏繞著的錳銅絲,DSP利用加熱控制電路和外部驅(qū)動,并根據(jù)溫度數(shù)據(jù)測量計算結(jié)果以及系統(tǒng)設(shè)定的控制溫度,以兩點算法或PID方式控制諧振腔加熱及保持恒溫?

3數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計思路

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的軟件包括了DSP測量軟件設(shè)計?單片機通信軟件設(shè)計以及上位機監(jiān)控軟件設(shè)計三個部分,根據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計的特點,并結(jié)合系統(tǒng)實時性的要求,對DSP測量系統(tǒng)采用以下的軟件設(shè)計方法?

在高速DSP的軟件開發(fā)方面,主要是利用TI公司提供的CCS集成開發(fā)環(huán)境,采用了C語言與匯編語言的混合編程技術(shù),利用匯編語言指令執(zhí)行速度快的優(yōu)點,盡量縮短關(guān)鍵指令的執(zhí)行時間,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度?

依據(jù)功能需求分析編制相應(yīng)的任務(wù)模塊,并根據(jù)系統(tǒng)實時性的考慮,優(yōu)先運行數(shù)據(jù)采集和計算的工作;根據(jù)溫度控制的精度要求,溫度控制采用增量型PID控制算法,加熱系統(tǒng)首先通過自學(xué)習(xí)獲得加熱的平均功率,然后通過應(yīng)用PID運算,獲得增量數(shù)據(jù),兩者相加后用脈寬調(diào)制信號輸出?

在單片機通信軟件設(shè)計方面,根據(jù)上述硬件設(shè)計方案以及系統(tǒng)通信的總體要求,DSP和單片機通過雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,單片機負(fù)責(zé)和上位機進(jìn)行串行通信,在單片機中構(gòu)建串行通信的接收和發(fā)送隊列,并針對大量浮點數(shù)通信的特點進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?可以有效提高串行通信的效率?

4小結(jié)

為彌補卷煙生產(chǎn)中使用的核掃描及紅外型傳感器的缺陷,解決在線煙支密度水分的實時計算問題,設(shè)計了基于微波諧振腔和DSP的煙支密度濕度測量系統(tǒng)?直接利用微波測量原理推導(dǎo)出的密度濕度計算公式,使用高速DSP處理器對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集計算并輸出控制信號,完成數(shù)據(jù)的實時處理,利用加熱控制器模塊實現(xiàn)對腔體溫度的準(zhǔn)確控制?設(shè)計的微波檢測系統(tǒng)能夠連續(xù)?快速?精確測定諧振腔微波參數(shù)的變化量,完全滿足煙支濕度在線檢測中實時性和精確度的要求,若根據(jù)其他不同農(nóng)業(yè)作物的含水率數(shù)學(xué)計算模型改變系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置,該系統(tǒng)可以快速地改造成基于微波諧振腔和DSP的水分檢測系統(tǒng),應(yīng)用于糧食水分檢測領(lǐng)域或秸稈成型生產(chǎn)線[9,10]?系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)緊湊?性能穩(wěn)定?維護簡單,而且可擴展性強?應(yīng)用領(lǐng)域廣,具有廣闊的市場應(yīng)用前景?

參考文獻(xiàn):

[1] 王錦平,王鴻旻.煙支重量在線微波檢測[J].自動化博覽,2010, 27(6):66-68.

[2] 呂偉,金文良,張林法.新型煙支重量控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].硅谷,2012(22):88-89.

[3] 周永軍,牛中奇,盧智遠(yuǎn),等.微波諧振腔微擾測量法在線監(jiān)測煙支濕度及密度[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(1):102-104.

[4] 吳志剛.在線煙支密度/濕度微波諧振腔檢測系統(tǒng)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2005.

[5] 高潔,田軍民,王楊,等.基于DSP的微波煙支密度在線檢測系統(tǒng)[J].煙草科技,2010(11):22-24,35.

[6] 張杰.微波密度傳感器諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程,2009(4):108-110.

[7] 楊仁. 煙支密度的微波檢測研究[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,23(2):86-88.

[8] 高宏亮,高潔,杜勁松,等.煙支重量微波檢測系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2010,32(7):1-3.

[9] 黎澤倫,黃志誠,黃友均,等.微波水分測量儀的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(2):81-83.

[10] 陶雷,胡必友,孫曉春.秸稈成型生產(chǎn)線上微波水分檢測技術(shù)的理論研究[J].江蘇農(nóng)機化,2011(11):29-30.