煙支重量在線識別及控制-FPGA
摘 要：主要介紹了一種低成本的基于DSP微控制器的在線識別煙支重量的方法。在介紹系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，分析了系統(tǒng)的工作原理及對煙支重量進行實時控制的實際算法和實現(xiàn)途徑，并通過在實際應用中所取得的數(shù)據(jù)和以前的數(shù)據(jù)進行比較分析，得出整個系統(tǒng)改進后的可行性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：DSP；重量識別；重量控制
煙的重量作為香煙品質(zhì)的一個重要指標，越來越受到煙廠的普遍關(guān)注。煙支重量的一致性與恒定性直接影響到香煙的吸阻、透氣度等品質(zhì)。高速卷煙生產(chǎn)過程中煙支重量的識別及控制,是整個高速卷煙機實時控制過程中最為復雜、技術(shù)含量最高的環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外所使用的高速卷煙機上配備的煙支重量的識別及控制系統(tǒng)主要有基于紅外線掃描傳感器和基于核子掃描傳感器的兩種系統(tǒng)。其中，紅外掃描因受煙絲來料的溫度、濕度等外部因素影響較大，在使用過程中控制參數(shù)需經(jīng)常調(diào)整；核子掃描由于其性能穩(wěn)定且受煙絲來料的溫度、濕度以及外部因素影響不大而被廣泛采用。目前中高檔高速卷煙機上配備的煙支重量的識別及控制系統(tǒng)大多為基于核子掃描傳感器。本文所述煙支重量的識別及控制以核子掃描傳感器為例。
1 系統(tǒng)組成
由于煙支重量的識別過程的強實時性要求（要求>8 000支/min），煙支的采樣、跟蹤和剔出過程的強實時性要求，以及與上位人機界面及實時數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)交換的要求，本系統(tǒng)中的主控芯片采用DSP2407微處理器芯片。主控芯片負責對核子掃描信號的處理，形成與煙支重量相關(guān)的所有數(shù)據(jù)信息，識別不合格的煙支、軟點和硬點，形成煙絲分布狀態(tài)曲線、完成重量控制任務(wù)以及與上位人機界面及實時數(shù)據(jù)庫之間的實時數(shù)據(jù)交換。
DSP2407[1]是TI公司生產(chǎn)的24X系列微控制器中的一員，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，內(nèi)嵌Flash或ROM可選，兩個事件管理器模塊(EVA和EVB)，其中包括了兩個定時器[2]、8個16 bit脈寬調(diào)制（PWM）通道、3個外部事件的時間捕獲單元、片上正交譯碼接口電路。同時DSP還集成了CAN2.0、SCI、SPI、電源管理等模塊。
除了主控芯片外，采用了一片Microchip公司的PIC16F877[3]單片機作為系統(tǒng)的I/O接口控制單元，完成現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集及控制指令輸出。PIC16F877通過I2C串行總線擴展端口完成現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，包括產(chǎn)量計數(shù)、外部剔廢計數(shù)、故障及報警信息等，PIC16F877內(nèi)部集成有8 bit并行從動口，可以很方便地與主控芯片并行實時交換數(shù)據(jù)。
主控芯片通過外圍數(shù)據(jù)控制器PDC通道以RS232串行方式與上位機界面及數(shù)據(jù)庫之間實時交換數(shù)據(jù)。還通過外圍總線擴展控制器EBI擴展CAN總線接口及ETHENET接口與生產(chǎn)設(shè)備過程控制系統(tǒng)之間及生產(chǎn)車間管理信息系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。其原理框圖如圖1所示。
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2 工作原理
2.1 煙支重量的識別[4]
重量控制必須以重量識別為前提，煙條重量的識別通過測試煙條中煙絲的密度而實現(xiàn)。煙條中煙絲的密度由核子掃描傳感器連續(xù)測量，通過轉(zhuǎn)軸編碼器將煙條分成可識別的微分段，旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)一周，輸出一個索引脈沖及256個增量脈沖，索引脈沖對應實際煙支的切口位置(物理與電器上的對應要通過切口校正完成)，這一位置表明一支煙的起點，實際上每個索引脈沖包含4支單煙即兩支雙倍長煙條。256增量脈沖對應2支雙倍長煙條，每支單煙包含64個增量，所以，軸編碼器輸出的增量脈沖即為微分計量單位。圖2所示為煙支重量識別示意圖。
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DSP2407微處理器的定時器0、定時器1工作于捕捉器方式，定時器0用于捕捉核子掃描器輸出的與煙支密度相對應的脈沖信號的低電平寬度（大的脈沖低電平寬度對應高的煙絲密度），每次捕捉事件產(chǎn)生時產(chǎn)生捕捉中斷，CPU以最高優(yōu)先級響應該捕捉中斷，讀入本次掃描中斷時掃描脈沖信號低電平的寬度Wi（以μs計），同時通過定時器1讀入本次掃描中斷時所經(jīng)歷的煙條增量脈沖數(shù)INCi，讀出的掃描脈沖寬度代表當前煙條一個增量微分斷的煙絲密度，通過線性化查表及運算可得對應的煙條增量微分斷的密度值Segi：
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