光电检验系统标准设计.docx

姓名： 学号： 专业： 光电分选机检测系统设计摘要 光电分选机是一个利用光电技术分析识别物料品质优劣,并利用压缩空气将劣质物料剔除高科技设备。被广泛应用在颗粒状物料品质检测和分级领域,可有效提升物料品质等级,增加其附加值,提升加工技术自动化程度,含有很好社会和经济效益。 设计中关键对光电分选机检测系统进行了研究，设计了一个以Xilinx企业FPGA芯片XC3S200和高速线阵CCD传感器为关键光电检测系统。它关键功效是经过CCD传感器对高速下落颗粒状物料进行动态扫描,由图像数字转换器对CCD输出信号进行信号调理、A/D转换，FPGA对转换后图像数据进行高速处理,完成剔除信号输出。文中关键对监测系统硬件部分做了设计，包含：以FPGA为关键硬件电路设计，线阵CCD驱动电路设计，图像数字转换器控制接口电路设计，数据传输中同时串行通信电路设计。第一章 光电分选机系统1.1 光电分选机工作原理 在光电分选机工作前,用户首先经过触摸屏设定被分选物种分选参数。在分选过程中,被选物料首先由进料斗经过电磁振动给料器配送到各个分选通道中溜槽,经过溜槽加速运动后，物料以恒定速度下落进入光电检测系统。光电检测系统在特制灯光照射下,前后两个CCD传感器对下落物料进行动态扫描,将扫描模拟视频电压进行A/D转换，再将得到数字视频信号经过滤波和识别处理,输出检测判别信号。判别信号抵达喷射气枪延迟时间恰好等于不合格物料从视镜下落至喷射气枪之间时间,当次品抵达喷射器位置时,气枪喷嘴喷射高速气流,将次品吹出,使其落入次品槽,而合格品继续下落并进入合格品槽,从而完成物料一次分选。为了提升分选精度,落入次品槽物料能够进行二次分选,同时在分选过程中,还能够经过触摸屏对分选参数进行反复调整,以使分选效果达成最好。下图为分选过程示意图。图1.1 分选过程示意图1）振动给料器2）滑道3）光源4）光电传感器5）背景板6）喷射气枪7）次品槽8）合格品槽9）触摸屏1.2工艺指标确实定光电分选机工作指标关键有以下三个方面:(l)处理量处理量即每小时可处理物料数量,单位为t/h。(2)选出率选出率指从原料中选出杂质数量占所含杂质总量百分数,也叫色选精度。(3)带出比带出比是指色选机选出废料中杂质数量和正常米粒或麦粒之比。带出比高低是能够设定,通常为3/1一5/1左右。1.3光电分选机结构特点光电分选机形式多个多样,但从工作原理和工作过程来看,关键由供料系统、光电检测系统、分选系统、电控系统四部分组成。光电分选机整机基础结构框图以下图所表示,除了以上提及组成部分外,还包含人机交互界面和主控制器。图1.2 整机系统结构框图(1)供料系统供料系统将对被测物料整理调整,使其流速和个体姿态保持相对稳定,确保物料颗粒能逐一地被光电检测系统检测,在分选系统中能被方便地分选剔除。(2)光电检测系统光电检测系统其作用关键是对物料进行光学检测,为分选系统正确无误地提供物料光学信息。光电分选机光学检测系统关键由光源、背景板、接收器和镜头等光学元件及相关辅助装置组成。背景板是提供一个背景,使被测物置于一个背景(即基准色)中进行检测。经典背景板是一系列从浅到深颜色片。依据光电等效标准,在光源照射下,总有一片背景片单位面积上产生反光信号,和合格品单位面积上产生反光信号等效。接收器,又称光电接收器或光传感器。通常部署在光电检测系统观察面上。可将投射到接收面上光信号转换成电信号。现在用于光电分选机中半导体光电元件,包含硅光电池、光电二级管、光电三级管等。不过,色选机大多采取优异电荷藕合器件(简称CCD)作为光学接收器。(3)分选系统分选系统作用是把光电检测系统检测发觉次品从物料中剔除,它由电控系统控制。物料颗粒从检测点到分选点运动时间,要和光电检测系统信号发出到分选机构这一段延时时间相匹配。常见分选是用压缩空气喷吹。物料进入分选系统后合格品沿正常运动轨道落入合格品槽,次品则受到喷嘴发射出脉冲式压缩空气作用偏离正常运动轨道,落到次品槽而被剔除。喷嘴由电磁阀控制。(4)电控系统电控系统除控制色选机整体各机构外,其关键工作就是把来自光电检测系统检测信号整形放大,判定处理,去开启分选机构电磁阀,完成份选操作。1.4 光电分选机整体结构设计经过对光电分选机工作过程和系统结构分析可知,光电分选机控制系统是由主控制器、分选控制系统、光电检测系统、电磁振动给料系统和气枪控制分选系统共同组成。主控制器系统直接或间接控制和管理其它系统,如控制温度、电源电压、开关信号、指示灯等外围电。光电检测系统采取CCD传感器对4个分选滑道物料进行检测和识别处理,整个光电检测系统中包含前后8个摄像机控制板和8个CCD传感器,每个控制板控制1个CCD传感器进行扫描工作并对接收到扫描信号进行识别处理给出异物位置信息。电磁振动给料系统根据主控制系统设定工作参数进行工作,将物料调整整理,确保物料在观察区内能被逐一地观察检测。气枪驱动系统接收分选控制系统击打信号后,控制高速电磁阀将高压气流喷出,把物料中次品分选剔除。系统每组滑道有32个溜槽,每个溜槽对应1个气动喷嘴,所以1个滑道对应32个气动喷嘴。光电分选机控制系统总体结构图1.3所表示。图1.3 光电分选机总体结构图分选机选择GP触摸屏带有RS-232接口,所以主控制系统和触摸屏间通信采取了基于RS-232异步串行通信方法。主控制系统和光电检测系统和电磁振动给料系统间通信全部采取了三线同时串行通信方法，这种通信方法有别于常见两线制，其增加了一条数据使能信号线，可无须搜索同时符,同时接收方接收数据时采取时钟脉冲计数和使能信号双重检测方法,从而提升了通信可靠性。CPLD转接板除了能接收检测信号控制LED显示外还负责控制器和前后摄像机控制板之间通信数据帧转发。第二章 光电检测系统硬件设计2.1检测系统整体结构该部分关键是针对光电检测系统进行了设计。系统以高速线阵CCD器件和Xilinx企业FPGA芯片XC3S2OO为关键设计了一套完整光电检测系统。系统硬件包含线阵CCD传感器(RL1O24P)、CCD驱动电路、相机电源模块、串行通信模块、CCD数字图像转换器(XRD98L59)、FPGA处理器、CPLD转接板、和电磁阀驱动电路气动装置等。检测系统硬件整体结构框图图2.1所表示。FPGA采取是Xilinx企业XC3S200TQ144,配置芯片采取是XCF01S。转接板CPLD采取是XC95216,转接板功效包含将主控制器命令传送给相机控制板(FPGA处理器)外,还接收处理器检测信号驱动LED显示。另外一个CPLD采取是XC95108,完成接收FPGA处理器发送气枪驱动信号控制高速电磁阀驱动电路。图2.1 检测系统硬件框图设计中系统处理器采取XC3S200是Spartan-3系列FPGA,封装是TQ144,关键特征有:(l)内部时钟频率可达326MHz,可提供4320个逻辑单元,20万个系统门。(2)支持多达17种单端接口标准和6种差分接口标准。输出信号摆幅范围可达1.14V和3.45V。(3)高性能内部存放器SelectRAM结构。每个块存放器容量为18Kb,而且是完全双口存放器结构。最多可提供216Kb块存放器资源,和30Kb分布式存放器资源。支持高性能外部存放器接口,这些结构包含SDR/DDR、SDRAM/SRAM、FCRAM和CAM接口等。(4)专用18位18位乘法器模块和超前进位逻辑链组成了高性能算术处理功效。(5)多达4个数字时钟管理器模块和8个全局时钟多路复用缓冲器,组成了丰富时钟资源,从而可提供灵活系统时钟处理方案。(6)片内数字化阻抗匹配技术和可编程输出电流,克服了因阻抗不匹配造成系统不稳定性问题。本系统中采取XC95216和XC95108全部是Xilinx企业XC9500系列CPLD。XC9500系列产品采取快闪存放技术,支持JTAG测试和在线系统编程,含有高密度、高性能、驱动能力强、引脚锁定等特点。XC950O系列产品在功效结构上和FPGA基础相同。XC950O系列器件基础结构包含:功效模块、输入输出接口模块和互连矩阵。其中功效模块由宏单元组成,每个宏单元能够实现一定组合逻辑或寄存器功效。XC95216在资源上包含216个宏单元,而XC95108包含108个宏单元。该设计中FPGA采取是JTAG和主串配置模式配置。当采取主串配置模式时,系统采取外部配置存放器芯片是XCF01S。2.2 CCD硬件设计依据光电分选机工作原理,我们在线阵CCD传感器选择上着重考虑了以下多个性能参数:工作速率、分辨率、灵敏度和动态范围。因为统计是快速运动目标,故对所用CCD扫描速度有很高要求。分辨率高低则直接影响着扫描图像细节再现程度。因为器件工作频率高,故光积分时间较短,只有选择灵敏度高、动态范围大CCD才能确保输出视频信号不被淹没于暗电流噪声中,确保扫描图像质量。该设计选择CCD器件是RLI024P。RL1024P是PerkinElmer企业P系列高速线阵CCD,其光谱响应范围是250-1000 nm,像素读出率高迭40MHz,行读出率可达35KHz,像素大小为14m,阵列中有1024个有效像素,含有电子曝光控制门,含有低噪声、高速度、高灵敏度等优点。CCD设计包含两部分,一部分是CCD时序逻辑,另一部分是CCD电平驱动电路。CCD时序逻辑全部由FPGA发生。 FPGA发出信号电平是3.3V, CCD却需要4种不一样驱动电平，如表2.1所表示，所以,从FPGA发出信号在进入CCD之前,必需进行电平转换。表2.1 RL1024P驱动电压列表FPGA发出3.3V信号驱动到上述4种电平,能够采取PI74FCT16244TV电平驱动芯片来产生相关电平。PI74FCT16244TV是16hit快速CMOS线驱动器,能够增加输出电流驱动能力,应用在P11、P22和YR单极性时钟输出(要求驱动电平为OV或5V),它信号时钟频率可高达40MHz。在CCD驱动时序中, P11、P22和YR信号驱动时钟频率全部为10MHz,均满足P174FCT16244TV信号时钟频率范围。NEC企业生产超低噪声双运算放大器4570,能够将它设置成电压跟随器。经过设置运放正输入端电压(电阻分压法),将输入士12V分压到需要8V和士4V。DG642是TTL驱动器,双向模拟开关,时钟上限频率达10MHz,刚好满足该设计要求。它应用在Pab、Ptg和Ppg双极性时钟信号输出。经过设置DG642开关两端电平为4570输出电平,FPGA发出信号(OV和3.3V)经过模拟开关转换为表2.1中要求8V和士4V。下图2.2所表示为该设计中CCD驱动模块硬件电路原理图,此硬件电路提供CCD需要4种不一样驱动电平,图中标号为Ul管脚为FPGA输出端,用于提供CCD正常工作时所需时序脉冲。图2.2 CCD驱动电路硬件原理图2.3 图像数字转换器设计该设计中选择是Exar企业生产图像数字转换器XRD98L59。该器件是低功耗数字式动静态CCD图像转换器,它包含有相关双采样器、可编程增益PGA,10-bit模数转换器和有哑像元平均器、噪点像元切割器和数字噪声抑制滤波器自动偏移校正电路等功效。下介绍XRD98L59功效和参数设置:(l)串行控制接口设置XRD98L59内部有10个8-hit控制寄存器,全部工作参数全部是经过设置这些内部寄存器。初始化内部寄存器是经过XRD98L59提供SPI接口来完成。SPI接口有读写控制信号分别为LOAD(锁存信号)、SDI(数据)和SCLK(移位时钟)。图2.3为串行接口时序图,接口采取12-bit移位寄存器,前4-bit为地址码,后8-bit为数据位。XRD98L59SPI接口和XC3S200一般IO口相连接,经过FPGA提供时序来初始化A/D内部控制寄存器。图2.3 串行接口时序图(2)相关双采样设置XRD98L59提供两个时序接口管脚,一个是采样CCD黑电平时钟(SBLK),另一个是采样CCD有效信号电平时钟(SPIX)。两个时钟驱动时序全部是经过FPGA来提供。改变地址序号为0011寄存器内容,能够设定时钟上升沿还是下降沿采样。经过设置地址序号为0010寄存器高6位数据能够设定实际采样点位置和采样时钟沿孔径延迟时间。孔径延迟时间可设定范围在2.7ns一17.5ns之间。(3)可编程增益控制XRD98L59内部集成了两级可编程放大器PGA1和PGA2,能够对CCD图像传感器输出信号进行放大。两个放大器总放大倍数能够在6dB一38dB之间调整,调整步长值为O.125dB。2.4 通信电路设计该设计中通信电路是依据3线制同时串行通信接口协议设计,这三个接口信号分别是串行数据、移位时钟、使能信号。因为通信线路比较长,轻易受到电控系统干扰,所以采取差分电路传输信号。AM26L31是Texas仪器企业生产线性四重差分发送驱动器,AM26L32是接收驱动器。图2.4所表示是在通信传输过程中,经过传输线连接AM26L31和AM26L32其中一个差分驱动器电路图。当主控制器经过三线同时串行通信接口向检测系统(FPGA)发送数据时,输入数据X到AM26L31发送驱动器,接收端经过AM26L32接收驱动器接收数据X,最终数据输出X连接到FPGA管脚。图2.4 AM26L31和AM26L32电路连接图2.5 气枪驱动设计高压气枪作用是喷射剔除不合格物料。气枪喷射是经过控制高速电磁阀动作来完成。所以高速电磁阀是气枪驱动系统中一个关键部分,CPLD气枪驱动板经过控制它吸合和释放来控制喷气时刻及喷气连续时间,电磁阀动态响应特征直接影响着整个系统关键性能指标。电磁阀工作原理是利用电磁铁通电产生电磁力吸合阀口铁心,使阀口打开;电磁铁断电后,磁场消失,阀口铁心被复位弹簧拉回,使阀口密封,切断气流。因为气枪驱动系统要求每次喷射时间很短,电磁铁必需能在很短时间内产生很强吸力来克服复位弹簧拉力,电磁阀快速响应特征为实现最小喷气量提供了硬件确保。电磁吸引力和电磁线圈中电流成百分比,而线圈中电流大小是经过外加电压值来改变。所以经过改变外加电压大小值,能够改变气枪驱动系统要求每次喷射连续时间长短。为了实现电磁阀控制理想波形,通常采取3种驱动方案。这3种方案根据产生线圈电流方法不一样,可分为可调电阻式驱动电路、双电压式驱动电路和脉宽调制式驱动电路。该设计中采取电磁阀驱动电路是脉宽调制式驱动电路。具体原理是控制电路首先加一个宽脉冲,使电磁阀快速开启。然后一系列PWM脉冲加到电磁阀线圈上,于是在每一个循环时间内,高电平时间线圈上得到电压。因为PWM脉冲周期远远小于线圈充放电时间,高电平时间越长,线圈平均电流也就越大,这么电磁阀线圈维持电流就能够经过控制高频PWM脉冲波占空比进行调整。调整适宜占空比取得一个较小维持电流。该设计经过对识别检测信号定时实现脉宽调制驱动电磁阀。这就是整个系统硬件设计部分，相关软件和测试、试验部分会在以后继续进行。