（信号与信息处理专业论文）单根烟自动检测系统设计.pdf

摘要 摘要 单根烟自动检测系统是安装于卷烟包装机下烟道的装置，用来完成对空头烟 检测并剔除的功能。但是目前的单根烟自动检测系统存在着兼容性差、识别准确 率低等问题。因此，如何提高系统的兼容性和识别准确率，成为亟需解决的主要 问题。 本文将 fpga 和 dsp 应用于卷烟包装机自动检测中，设计了一种单根烟自动 检测系统。该系统硬件部分采用了模块化设计，构建了系统硬件平台。以硬件平 台为基础，通过对 fpga 和 dsp 的编程，实现了均值算法和贝叶斯算法。这两种 算法所需要的参数均由现场机器学习得到，应用更为灵活，对环境的适应能力更 强。fpga 和 dsp 的应用，使系统的处理能力、兼容性和识别准确率也有了很大 的提高。最后经过测试，系统硬件和软件都工作正常，而且识别准确率高于国内 现有系统，测试结果达到了设计预期要求。 关键词：fpga dsp 均值算法 贝叶斯算法 abstract abstract single cigarette automatic detection system is a device which is installed on the channels of cigarette making machine.it is used to complete the function of detection and removing single cigarette lacking of tobacco. but the current single cigarette automatic detection systems have some problems of poor compatibility, low detection accuracy.so, the problem to be solved is how to improve the systems compatibility and detection accuracy. this paper applied fpga and dsp to automatic detection of cigarette making machine and then designed a kind of single cigarette automatic detection system. the systems hardware part was developped by using modular design and constructed the hardware platform. then, achieved average algorithm and bayesian algorithm through the programming of fpga and dsp based on hardware platform. parameters needed by these two algorithms are all obtained by field machine learning. therefore, the application is more flexible than existing systems, more capable of adapting to the environment.application of fpga and dsp, the systems processing power, compatibility and removing accuracy were greatly increased too.finally through test verified that the system hardware and software worked properly.and the removing accuracy was higher than the domestic existing systems,achieving the expected design demand. keyword: fpga dsp average algorithm bayesian algorithm 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究现状 20 世纪初卷烟包装机问世，从此卷烟包装机分别经历了机械化、自动化和连 续化的发展阶段。20 世纪 30 年代末 40 年代初美国 amf 机械制造公司研制出了 3- 79 型 10 支装软包包装机，标志着卷烟包装机进入了机械化时代。20 世纪 60 年 代，机、电、光、液、气等综合技术在卷烟包装机械上的应用，使卷烟包装实现 了自动化。20 世纪 80 年代，微机、机械手、变频器、光电检测器、质量监控、 积木化结构设计等高新技术成果在卷烟包装原辅材料供送、检测和管理等方面应 用，使卷烟包装的速度得到了大幅度提高，实现了卷烟包装全面自动化和生产线 的柔性联接1。卷烟包装机经过一个世纪的发展，已经具备了高度的机械化和自 动化。目前的卷烟包装机可自动剔除空头烟支组、缺支烟包、内衬纸残缺的烟包、 商标纸残缺的烟包。可自动更换铝箔纸、商标纸及封口印花卷筒，可自动调节铝 箔纸及封口印花位置，可自动从纸库中取装铝箔纸和商标纸卷筒等。 目前的卷烟包装机能自动剔除空头烟支组，而没有剔除单烟支的功能。单根 烟自动检测系统是安装于卷烟包装机下烟道用于对单烟支空头检测与剔除的装 置。目的在于通过提前剔除随机出现的空头烟，解决入模盒后检测到空头烟并整 包剔除浪费严重的问题。对该系统的研究在国内才刚刚起步，当前虽然已经出现 了少数的单根烟自动检测系统，并且在一些卷烟厂已经得到应用，但是这些系统 剔除的准确率较低，基本上都在 60%以下，实际应用价值不高。这些系统的构成 简单，结构死板，一般采用纯硬件或者单片机实现，技术要求不高，适应性和兼 容性都很差，对烟机和工作环境要求苛刻，不能广泛的应用到实际当中。本文提 出了一种单根烟自动检测系统，合理的硬件设计和先进的剔除算法使该系统具有 以下优点： (1) 该系统硬件采用模块化设计，即按功能不同划分为几个模块。首先对单 个模块进行设计和测试，然后把各个模块连接在一起。这样可以使系统设计和调 试更为简便。 (2) 各个模块按要求分别安装在不同的位置，方便操作和以后功能的扩展， 并且可以减少之间的干扰，使系统更稳定的工作。 (3) 本系统的所有检测和剔除操作都是在程序的控制下进行的，而不是纯粹 的硬件电路，所以只要稍微修改程序的参数就可以在不同的环境下工作，系统兼 容性很高。 单根烟自动检测系统设计 2 (4) 该系统基于 dsp 和 fpga 设计，两者搭配工作使系统具有很高的实时性 和稳定性。 (5) 先进的剔除算法和良好的硬件支持保证本系统的识别准确率在80%以上， 比当前国内的系统有明显的优势。 1.2 课题背景及意义 现在的卷烟包装机已经具备了剔除空头烟支组的功能，即如果发现一组烟中 间存在空头烟，那么这组烟就要被全部剔除，同时合格烟支也会被强制的剔除。 这样就会产生很大的浪费，严重影响卷烟厂的效益。为了解决合格烟支被迫剔除 的情况和提高卷烟厂的效益，本文提出了一种全新的单烟支空头检测与剔除系统， 本系统是安装于包装机下烟道用于对单烟支空头检测与剔除的装置，以 fpga 和 dsp 嵌入式处理器做为运算处理核心，目的在于通过提前剔除随机出现的空头烟， 解决入模盒后检测、整包剔除方式浪费严重的问题。通过在下烟道前设置检测传 感器和剔除装置，对单支烟进行空头检测与剔除。当检测传感器检测到烟支，向 控制中心发送一个检测信号，控制中心处理后若判决该烟是空头烟，则计算该烟 到达剔除装置位置时刻，并在该时刻给剔除装置一个剔除信号，剔除装置根据剔 除信号剔除对应的空头烟。整个过程在嵌入式处理器上完成，希望对空头烟的识 别率达到 80%以上。本系统不仅能为国内卷烟厂提供改良的烟支检测剔除系统备 件，也扩大了合作企业产品线，提高了其应对经济危机的能力。 1.3 论文主要工作及内容安排 本文提出了一种新型的单根烟自动检测系统， 本系统利用 fpga 和 dsp 做为 运算处理中心实现了对单烟支空头的精确检测与剔除。本文的创新点是独特的硬 件设计和剔除算法的应用。先进的剔除算法大大的提高了检测和剔除的准确率。 论文全文分为六章，安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了该课题的研究现状、研究背景及意义，然后介绍了 论文的主要工作和章节安排。 第二章为系统的总体设计，首先介绍了系统的要求、组成及工作原理，然后分 别从硬件和软件方面对系统做了总体分析。 第三章为系统的硬件设计， 本章首先介绍了光电探头和轴编码器， 然后分别对 采样板、通信板、剔除板和剔除阀驱动板的设计进行了详细的介绍。 第四章为算法设计与实现， 首先介绍了均值算法和贝叶斯算法的原理， 然后从 软件方面介绍了算法的实现。 第一章 绪论 3 第五章为系统测试和结果分析， 首先对组成系统的各个模块进行测试， 然后再 进行整体测试。 第六章为结束语，总结了本论文所做的工作，指出了下一步工作的方向。 第二章 系统总体设计 5 第二章 系统总体设计 2.1 系统要求 本系统总体要求如下： (1) 传感器 传感器性能是影响检测准确率的关键器件，是单根烟自动检测系统的核心部 件之一。由于烟支流动速度较快，位置稳定性较差，而且工作环境复杂，所以要 求传感器的适应性强，有较好的抗干扰能力。 (2) 模数转换器 传感器出来的模拟信号需要经过模数转换器才能进行处理。根据采样定理， 采样率必须大于信号带宽的二倍2。根据烟支传输速度，单通道大概一秒钟通过十 支烟，所以采样率必须大于 20hz。 (3) 数据传输 因为从数据采样板到剔除主板中间有很长的距离且环境复杂，干扰相对比较 强，所以一定要保证数据传输的准确性。 (4) 数据处理中心 二十路传感器需要同时并行检测二十支烟，所以会有大量的数据需要传输和 处理，这就要求运算中心有较强的处理能力。 (5) 识别准确率 系统采用两种剔除算法，要求识别准确率均在 80%以上。 (6) 可移植性 因为该系统是安装在卷烟包装机上的，而各个卷烟包装机都会有一些差异， 所以必须保证本系统的可移植性，只需要稍微的修改就可以应用到其他的包装机 上面。 2.2 系统组成及工作原理 本系统主要包括系统硬件和系统软件。系统组成框图如图 2.1 所示。系统硬 件大致可以分为同步单元、采样单元、数据传输单元、运算单元和剔除单元。同 步单元是整个系统的指挥信号，负责整个系统操作的同步性。采样单元负责前端 对单烟支的采样。数据传输单元主要是为了保证采样后的数据传输的准确性和抗 干扰性。运算单元是本系统的运算处理中心，主要负责对采样的数据进行运算处 单根烟自动检测系统设计 6 理来判断当前烟支是否是空头烟，然后给出剔除信号。剔除单元主要负责接收运 算单元给出的剔除信号并对检测出来的空头烟进行剔除。其中每一个单元都有与 之相对应的硬件结构，具体细节将在第三章介绍。系统软件主要是指剔除算法的 程序实现，包括 fpga 程序和 dsp 程序。其中 fpga 主要负责均值剔除算法，而 dsp 负责贝叶斯剔除算法。fpga 和 dsp 的结合使处理能力大大提高。所有的剔 除运算都是在运算单元进行的。 图图 2.1 系统组成框图系统组成框图 本系统的工作原理框图如图 2.2 所示。首先是对单烟支的采样。在烟支下落 过程中采样单元以合适的采样速率对烟支采样，然后把采样后的数据通过传输单 元传送给运算单元。传输单元是中间媒介，主要是为了保证采样单元和运算单元 之间的数据传输的正确性。采样单元到运算单元的数据主要是采样数据，而运算 单元到采样单元的数据主要是对模数转换器的控制信号。这里传输单元采用的是 差分传输。运算单元实时的接收来自传输单元的数据并做相应的处理，主要是对 采样数据做剔除算法的运算，以判断当前烟支是否合格。然后把运算的结果输出 给剔除单元，当剔除单元接收到剔除信号后就把当前烟支剔除。所有的采样和剔 除操作都是在同步单元的控制下来完成的。 第二章 系统总体设计 7 图图 2.2 工作原理框图工作原理框图 2.3 硬件总体设计 系统硬件主要包括同步单元、采样单元、数据传输单元、运算单元、剔除单 元。本系统的同步单元就是轴编码器，采样单元包括光电传感器和 ad 采样板， 数据传输单元包括差分板 1 和差分板 2，运算单元就是剔除主板，剔除单元包括 剔除驱动板和剔除电磁阀。系统硬件构成框图如图 2.3 所示。因为下烟道有并行 二十个通道，所以采用 20 个探头同时对 20 个通道进行检测。轴编码器、光电探 头、ad 采样板、差分板 1、剔除驱动板和剔除电磁阀都安装在下烟道上。为了保 证运算单元的工作的稳定性和抗干扰性， 剔除主板即运算单元独自在一个机箱内， 距离下烟道有一定距离。探头的安装位置固定并贴近烟支，可以保证对烟支的精 确采样。 剔除阀的喷气嘴紧挨着探头在同一侧安装， 这样可以及时的剔除空头烟。 因为探头出来的是模拟信号，所以容易受到干扰，为了减少传输模拟信号的传输 距离把 ad 采样板尽量接近探头安装，然后把模拟信号转换为数字信号。剔除主 板的独立安装提高了抗干扰性，方便接口安装、转换和功能扩展。 系统硬件工作流程图如图 2.4 所示。本系统采用的传感器为光电传感器，首 先利用光电探头把光信号转换为电信号，电信号是周期性的模拟信号。然后根据 轴编码器的输出脉冲确定最佳采样时刻， 再利用 ad 采样板进行模数转换。 对 ad 采样板出来的数字信号进行差分传输。其中差分板 1 靠近 ad 采样板，而差分板 2 靠近剔除主板。剔除主板接收差分板 2 传输的数据进行运算，然后根据轴编码 器的输出脉冲找到空头烟到达剔除喷气嘴的时刻，这时再输出剔除信号。剔除驱 动板检测到剔除信号后就驱动电磁阀喷出一股气流来完成对不合格烟支的剔除。 单根烟自动检测系统设计 8 图图 2.3 系统硬件构成框图系统硬件构成框图 图图 2.4 系统硬件工作流程图系统硬件工作流程图 关于硬件设计的几点说明： (1) 传感器共有 20 个，采用 7- 6- 7 排列，即第一组和第三组为七个，第二组为 6 个。传感器位置固定。 (2) 轴编码器是对卷烟包装机的电机转动进行编码。这样可以准确的对烟支定 位。 (3) ad 采样板尽量靠近探头位置安装，减小模拟信号传输距离。 (4) 所有传感器输出都连接到 ad 采样板， ad 采样板可以并行对 20 通道模拟 信号进行采样并输出。 第二章 系统总体设计 9 (5) 差分板 1 和差分板 2 中间距离约 1 米，用双绞线连接。 (6) 驱动板也有 20 路驱动电路，分别对 20 个剔除电磁阀进行驱动。 (7) 除了剔除主板和差分板 2，其它硬件模块都安装在卷烟包装机下烟道。 (8) 所有电路板之间共地。 (9) 所有电路板均采用抗干扰设计。 2.4 软件总体设计 本系统软件部分包括剔除算法程序和通信接口程序。而剔除算法程序包括均 值剔除算法程序和贝叶斯剔除算法程序。均值剔除算法程序主要是 fpga 程序， 而贝叶斯剔除算法程序主要是 dsp 程序。 接口程序包括 ad 采样板与 fpga 之间 接口程序和 fpga 与 dsp 之间的通信程序。 系统软件构成框图如图 2.5 所示。 ad 采样板与 fpga 之间接口程序主要是利用 fpga 完成 ad 采样板数据的接收和存 储。fpga 与 dsp 之间的通信程序主要是把 fpga 接收的实时数据和中间的一些 运算结果传输给 dsp，而 dsp 把最后剔除信号传输给 fpga。系统软件工作流程 图如图 2.6 所示。 图图 2.5 系统软件构成框图系统软件构成框图 单根烟自动检测系统设计 10 图图 2.6 系统软件工作流程图系统软件工作流程图 所有程序均在剔除主板上面实现。剔除主板采用 fpga+dsp 结构。fpga 程 序主要完成实时接收 20 路 ad 采样数据，然后利用实时数据进行均值剔除算法， 并同时把采样数据和均值剔除算法中间结果存储。然后把采样数据和剔除算法中 间结果通过 dsp 与 fpga 接口程序转发给 dsp，利用 dsp 的高速计算能力实现 贝叶斯算法，完成剔除功能。 关于系统软件的几点说明： (1) ad 采样板与 fpga 接口程序主要是接收采样数据，而模数转换器的控 制信号也是由 ad 采样板与 fpga 接口程序给出的， 通过差分传输到 ad 采样板。 (2) dsp 与 fpga 接口程序包括 fpga 程序和 dsp 程序， fpga 把实时数据 和均值剔除算法中间结果存储，然后由 dsp 读取并实施贝叶斯算法。 (3) 均值剔除算法和贝叶斯剔除算法是两个独立的剔除算法，可由用户选择 使用。 2.5 本章小结 本章是系统的总体设计。首先介绍了本系统的总体要求，然后以系统的要求 为基础介绍了系统的组成和工作原理。本系统主要包括系统硬件和系统软件。接 下来分别介绍了系统硬件构成、工作流程和系统软件构成、工作流程。 第三章 系统硬件设计 11 第三章 系统硬件设计 3.1 硬件总体构成 系统硬件包括：轴编码器、传感器、ad 采样板、差分板 1、差分板 2、剔除 主板、剔除驱动板和剔除电磁阀。系统硬件构成框图如图 2.3 所示。传感器固定 在下烟道，并行 20 路模拟信号通过扁平线和 ad 采样板连接， 模拟信号在 ad 采 样板经过采样后变为数字信号。然后数字信号经过差分板变为差分信号，在另一 块差分板又变回原来的数字信号，然后进入剔除主板进行处理运算，剔除主板根 据轴编码器输出在适当的时刻把运算的结果输出给剔除阀驱动板，驱动板驱动剔 除阀喷出一股气流完成烟支剔除。 各个模块的大致描述如下： (1) 传感器分为电容式传感器和光电式传感器，本系统采用光电传感器，即 把光信号转换为模拟电信号3。电信号的大小随着光反射的往返路程而变化。传 感器 20 个并行排列，排列方式为 7- 6- 7。 (2) 轴编码器是对卷烟机下烟道电机传送轴进行编码，因为电机转动一周烟 支就下落一次， 所以对电机进行编码可以保证操作的同步， 以便对烟支进行定位。 (3) ad 采样板包括运算放大器和模数转换器，各个器件的选型要根据传感 器的输出信号而定。 (4) 差分板 1 和差分板 2 都有差分发送和接受功能， 两者相差近似 1 米距离， 中间用双绞线连接。 (5) 剔除主板采用 dsp+fpga 结构，并且带有丰富的外围电路和预留接口， 以便功能的扩展。 (6) 剔除阀驱动板是用 5v 的剔除信号来驱动 24v 的电磁阀，是剔除信号和 电磁阀的中间转换接口。 3.2 光电传感器 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化 转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传 感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、 反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样， 因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛， 是各种光电检测系统中实现光 单根烟自动检测系统设计 12 电转换的关键元件4。最常见的光电传感器是模拟式光电传感器。模拟式光电传 感器是将被测量量转换成连续变化的电流，它与被测量量之间呈单值关系。模拟 式光电传感器按被测量方法可分为透射式、漫反射式、遮光式三大类。 光电传感器一般由光源和光敏器件组成。其中光敏二极管是比较常见的光敏 器件。光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光 照时，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流。当有光照时，载流子被激发产 生电子空穴对，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形 成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强 度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电压信号。光敏 三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信 号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管 只引出两个极，即发射极和集电极，基极不引出。为增大光照，基区面积做 得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结 正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流 iceo=(1+)icbo，比一般三极管的 穿透电流还小。当有光照时，激发大量的电子空穴对，使得基极产生的电流 ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流 ic=(1+)ib，可见光电 三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。 该传感器的功能是实现对单烟支的非接触检测。空头烟是烟支前端没有 填满烟丝的不合格烟。当探头位置固定时，由于空头烟前端缺少烟丝，所以 和探头距离就比合格烟支要大。光电传感器是将光信号转换为电信号，首先 发射一束光线，当遇到烟丝时就返回，然后激发光敏管，从而产生电信号。 所以选用的光电传感器必须对距离敏感，当距离变化时输出电信号幅度必须 做相应的变化，这样才能检测出来空头烟。 本系统选用韩国 kodenshi 公司的 sg- 2bc 光电传感器，该传感器是 反射式目标传感器，正符合本系统要求。并且该传感器的性能已经在实践中 得到验证。sg- 2bc 内部结构图如图 3.1 所示5。 图图 3.1 sg- 2bc 内部结构图内部结构图 sg- 2bc 由一个红外发光二极管和一个光电三极管组成，红外发光二极管首 先发射红外线， 当遇到烟丝时红外光被反射回来， 激发光电三极管产生基极电流， 在保证三极管工作在放大状态下基极电流就会被放大输出，电压可由负载电阻输 第三章 系统硬件设计 13 出。sg- 2bc 把红外发光二极管和光电三极管封装一起，并做了抗环境光影响的 设计。sg- 2bc 输出电流信号对距离很敏感，基本上是高斯分布，在一定的距离 时输出电流最大。sg- 2bc 输出测试特性曲线如图 3.2 所示。把检测距离设在输 出电流最大位置以外，并留有一定的余地，这样输出电流就随着距离的增加单调 递减了。空头烟和探头的距离比好烟要远，输出电流就会比好烟的小，所以用该 探头作为本系统的传感器是很合适的。在实际应用时把三极管发射端连接一个分 压电阻，如图 3.3 所示。当没有物体遮挡时，三极管接收不到光所以出于断开状 态，这时三极管两端的输出电压为 vcc。当有物体遮挡时，光经过反射照射到三 极管基极， 三极管导通并产生电流， 所以电流经过 rl后使三极管两端的输出电压 减小。遮挡物距离越远，电流越小，rl分压越小，三极管输出电压就越大。所以 探头的输出电压随着距离的增加而最大。由此可知，检测到空头烟时的输出电压 应该比检测到好烟时大。 图图 3.2 sg- 2bc 输出测试特性曲线输出测试特性曲线 图图 3.3 sg- 2bc 应用原理图应用原理图 3.3 轴编码器 轴编码器是把角位移转换成电信号的器件。按照读出方式编码器可以分为接 触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，以电刷接触导电区或绝缘区来表 单根烟自动检测系统设计 14 示代码的状态是“1”还是“0”。 非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件， 采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”，通过“1” 和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以 通讯、传输和储存。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类6。增量式 编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉 冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码， 因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。增量 式编码器比较常用，它在现代电机控制系统中常常用以检测转子的位置与速度， 是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。增 量式编码器不具有计数和接口电路，一般是输出a、b、z脉冲信号，a脉冲在前， b脉冲在后，a脉冲和b脉冲相差90度，一般利用a超前b或b超前a进行判向。每圈 发出一个z脉冲，可作为参考机械零位7。增量式编码器有分辨率的差异，使用每 圈产生的脉冲数来计量，即每圈输出a或者b信号的周期数，数目从6到5400或更 高，脉冲数越多，分辨率越高，这是选型的重要依据之一。增量式光电编码器的 输出信号可以直接连接到微机或dsp的计数器输入端，由其软件来辨相和计数。 本系统轴编码器采用日本koyo公司的trd- j360- rz。其供电范围为5v 30v，这里选用5v供电8。输出a、b、z三路脉冲信号，a脉冲在前，b脉冲在后， a脉冲和b脉冲相差90度。每转输出360个a脉冲和b脉冲，一个z脉冲。输出信号经 过电平转换芯片后可以连接到fpga。卷烟包装机下烟道中的烟支下落是由电机控 制的，电机转动一周下落一次，每次所有烟支下落一个烟支的距离。把轴编码器 连接到电机上，电机转动一周轴编码器就随着转动一周，输出360个a脉冲和一个z 脉冲。从而就可以利用轴编码器来确定采样位置和剔除时刻。利用轴编码器进行 系统同步的方法如下： (1) 首先保证编码器和电机固定连接，电机开动以后观察编码器输出是否正 确。 (2) 因为烟支的下落是有时间的，所以在烟支下落过程中是不允许采样的，只 有当烟支正对探头时才可以采样。暂时从z脉冲的上升沿开始对a脉冲计数，当烟 支和探头对齐时记下计数器值n，这个点将作为以后采样的时刻点。也可以把n确 定通过在现场调整硬件来满足要求。以后在每个z脉冲的上升沿对计数器清零，重 新开始对a脉冲计数到n，所有的这些时刻都是最佳采样时刻。采样操作只有在这 些时刻才开始采样。 (3) 当采样结束以后，系统把采样数据传送到剔除主板进行处理，当判断结果 符合空头烟的标准时，就要在合适的时刻来输出剔除信号，从而驱动剔除阀喷出 气流来剔除空头烟。本系统探头和喷气嘴之间相差两根烟的距离，这样的设计既 可以给剔除主板留足够的处理时间，又可以把空头烟及时的剔除。当系统判断出 第三章 系统硬件设计 15 当前烟是空头烟时，并不是立即就输出剔除信号给剔除电磁阀，因为这时候检测 到那根空头烟并没有到达喷嘴，如果这时剔除就会照成错误剔除。利用轴编码器 就能解决这个问题，在第一步里确定了采样的时刻，从这个时刻开始,当对第三根 烟进行采样时就代表检测到的空头烟到达了喷气嘴，这时候根据剔除信号来剔除 该空头烟。 3.4 采样板设计 采样板主要是负责把传感器输出的模拟信号转换成数字信号。采样板包括两 部分：运算放大器和模数转换器。首先运算放大器对输入的模拟信号进行相应的 放大或缩小，然后信号进入模数转换器进行模数转换。因为本系统有 20 个通道， 并采用 7- 6- 7 结构，所以采样板有三块。为了方便设计，每块采样板至少有 7 个 通道。 3.4.1 运放电路设计 集成运算放大器简称运放，由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运 算，故得名“运算放大器” ，此名称一直延续至今。它是一个从功能的角度命名的 电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体 技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。它的内部是直接耦合的 多级放大器，整个电路可分为输入级、中间级、输出级三部分。输入级采用差分 放大电路以消除零点漂移和抑制干扰；中间级一般采用共发射极电路，以获得足 够高的电压增益；输出级一般采用互补对称功放电路，以输出足够大的电压和电 流，其输出电阻小，负载能力强9。 运算放大器的主要特点有： (1) 集成运算放大器采用直接耦合放大电路,对直流信号和交流信号都有放大 作用。 (2) 为克服零漂现象,提高共模抑制比,输入端全部采用差分放大电路,并采用 恒流源供电.。 (3) 采用复合管提高电路的增益。 (4) 电路中的无源器件多用有源器件来代替。 (5) 其最重要的三个特性是:高输入阻抗、高电压增益、低输出阻抗。 运放通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。常见的运放典型电路有：同 相比例放大器、反相比例放大器、相加器、相减器等。同相比例放大器只可实现 信号同相放大。反相比例放大器可以实现信号反相放大或缩小。相加器是实现几 单根烟自动检测系统设计 16 个信号的同相或反相的相加。相减器又叫差分放大器，是对两个输入信号的差模 进行放大或缩小。 相减器的输出电压与两个输入信号之差成正比。这在许多场合得到应用。要 实现相减，必须将信号分别送入运算放大器的同相端和反相端。相减器典型电路 图如图 3.4 所示10。 rf r1 ui1 r2 uo ui2 r3 - + 图图 3.4 运放减法器原理图运放减法器原理图 应用叠加原理来计算。首先令 1 0 i u =,则电路相当于同相比例放大器，得 3 012 1123 11 ff i rrr uuu rrrr + =+=+ + (3- 1) 又令 2 0 i u=,则电路相当于反相比例放大器，得 1 1 02i f u r r u= (3- 2) 总的输出电压 0 u 为 3 0010221 1231 1 ff ii rrr uuuuu rrrr =+=+ + (3- 3) 如果满足 r1=r2,rf=r3, 则 () 021 1 f ii r uuu r = (3- 4) 如果令 1 0 i u =,那么 02 1 f i r uu r = (3- 5) 这样就可以实现对输入信号的正相放大或缩小了。 所以采样板的运放电路设 计采用相减器。 本采样板运算放大器芯片采用美国 ti 公司的 tle2024。tle2024 各参数如 表 3.1 所示11。tle2024 是精密、高速、低功耗型运算放大器芯片，具有高的转 换速率和单位增益带宽。它的各个参数在时间和温度变化的情况下仍然可以保持 高度的精确性。 第三章 系统硬件设计 17 表表 3.1 tle2024 参数参数 单位增益带宽 2 mhz 最大电压偏移 100 uv 输入电压噪声密度 19 nv/hz 供电电压范围 20 v 开环增益 136 db 输入电压范围 vcc 最小转换速率 0.45 v/us 输入电流范围 1 ma 输入最大失调电流 50 na 输出电流范围 40 ma 该芯片选用 dw16 封装，一个芯片集成了四个运放，对于 7- 6- 7 排列方式每 一块采样板只需要两个 tle2024。 3.4.2 adc 电路设计 随着电子技术的迅速发展,用数字系统处理模拟信号的情况越来越多。 为了能 用数字系统处理模拟信号， 必须把模拟信号转换为相应的数字信号,然后才能送入 数字系统中进行处理。 模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成 正比。实现模数转换的电路称模数转换器 adc。常用 adc 主要有并联比较型、 双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型 adc 转换速度最快，但价格贵。双 积分型 adc 精度高、抗干扰能力强，但速度慢。逐次逼近型速度较快、精度较 高、价格适中，因而被广泛采用。 a/d 转换要经过采样、保持和量化与编码两 步实现。采样和保持电路对输入模拟信号抽取样值，并展宽。量化是对样值脉冲 进行分级，编码是将分级后的信号转换成二进制代码。在对模拟信号采样时，必 须满足采样定理：采样脉冲的频率 fs必须大于输入模拟信号最高频率的 2 倍。这 样才能不失真地恢复出原模拟信号。 adc 的分辨率和转换精度都与转换器的位数 有关，位数越多，分辨率和精度越高。但是位数越多，装置的速度就越慢。当以 n- bit 的数字信号代码来量化表示原始信号时，可以精确到 1/2 n。基准电压 v ref 是重要的应用参数，要理解基准电压的作用，尤其是在 a/d 转换中，它的值对量 化误差、分辨率都有影响。一般应按器件手册给出的范围确定 vref 值，并且保 证输入的模拟电压最大值不大于 vref值12。 选用 adc 需要考虑以下几点内容： (1) 采样速率。根据采样定理： 采样频率必须大于输入模拟信号最高频率的 2 倍。这样才能不失真地恢复出原模拟信号。否则，如果采用速率小于最高频率分 量的 2 倍，那么就会产生信息丢失。 (2) 转换精度。转换精度其实就是采样的位数，位数越多，精度越高。但是 位数越多转换速率就会越慢。 (3) 数据输出方式。adc 分为串行输出和并行输出，需要根据系统需要和接 单根烟自动检测系统设计 18 口资源选用串行输出或者并行输出。 (4) 信噪比。信噪比越大，性能越好。所以尽量选用较高信噪比的芯片。 (5) 数据传输速率。传输速率由芯片上的时钟信号控制，传输速率要满足数 据传输的最低要求，保证数据不丢失传输，又要考虑系统的处理能力。 (6) 供电电压。 应根据信号电压范围和系统的需要选用合适的供电电压芯片。 为了方便供电，系统提供的电压要在 adc 供电电压范围之内。 (7) 参考电压。参考电压决定着输入电压范围，所以应根据实际情况选用适 合系统参考电压的 adc。 本系统采用美国 ti公司生产的模数转换器 ads7841。 它采用2.7v5v供电， 最大转换速率为 200khz，每个通道的最大转换速率为 50khz。根据采样定理， 送过来的模拟信号的最高频率一定不能高于 25khz,否则将会产生信息丢失。对 于本系统，每个下烟道每秒钟大概下落十支烟，模拟信号的频率大概为 10hz， 远远小于 25khz，所以 ads7841 的采用频率满足系统设计的要求。ads7841 是 四通道、12 位/8 位、同步串行接口的模数转换器。这四个通道可以做为四个单极 输入通道，也可以做为两个差分对输入通道。通道选择和工作模式由 din 端口输 入控制信号来决定。控制信号有八位，各控制位及其作用如表 3.2 所示13。 表表 3.2 ads7841 各控制位及作用各控制位及作用 位数 表示字符 作用描述 7 s 起始位 6 - 4 a2a0 通道选择位 3 mode 12 位或者 8 位转换工作模式选择位。当 mode 管脚为低电 平时， 为 12 位转换模式。 当 mode 管脚为高电平时， mode 用来控制下次换转的位数，当为高电平时，下次转换为 8 位工作模式，如果是低电平，下次转换为 12 位工作模式。 2 sgl/dif 单极输入或者差分输入选择位。高电平时 adc 为单极性输 入，低电平时 adc 为差分输入。 1 - 0 pd1pd0 低功耗模式选择位。为 00 时，adc 在转换空闲期间进入低 功耗模式， 当 sgl/dif 为高电平时，ads7841 为单极性输入。这里一直采用单极性输 入模式。 单极输入时有四个通道。 所以一块采样板只需要两片 ads7841 就能满足 设计的需要。在 fpga 的控制下分时输出各个通道的采样数据。其中各通道选择 如表 3.3 所示13。 第三章 系统硬件设计 19 表表 3.3 通道选择通道选择 a2 a1 a0 通道 0 0 1 通道零 1 0 1 通道一 0 1 0 通道二 1 1 0 通道三 ads7841 有三种时序工作模式，分别为 24 时钟周期转换模式，16 时钟周期 转换模式和 15 时钟周期转换模式。其中 24 时钟周期转换时序图如图 3.5 所示。 24 时钟周期转换模式时序为：在 adc 空闲阶段控制位开始由 din 管脚逐个输入 到 adc 内，当收到足够的信息时 adc 开始采样，三个周期后所有的控制位已经 输入完毕，adc 开始转换， 在接下来 12 个时钟周期里完成转换并把 12 位转换数 据串行输出，最后三个周期 adc 输出低电平来完成本次转换。16 时钟周期转换 模式允许控制位输入和转换输出重叠，即本次控制位输入和下次控制位输入中间 相差 16 个时钟周期。15 时钟周期转换模式是 ads7841 最快的一种转换模式，这 种模式不适合于多数微控制器和数字信号处理器， 因为它们一般不能提供 15 周期 串行输出模式。这种模式对 fpga 非常适合，这就大大的提高了 ads7841 的转 换速率。在本系统中 ads7841 正是由 fpga 控制的，fpga 向 ads7841 提供片 选信号、转换时钟信号和控制位输入信号，这些信号都将通过通信板传输给 ads7841。而转换后输出数据也将通过通信板传输给剔除主板上的 fpga。通信 板的设计将在下一节中介绍。 图图 3.5 ads7841 24 时钟周期工作时序图时钟周期工作时序图 单根烟自动检测系统设计 20 3.5 差分通信板设计 3.5.1 lvds 介绍 差分传输通俗的讲，就是驱动端发送两个等值反相的信号，接收端通过比较 这两个电压的差值来判断传输的是“0”还是“1”。而承载差分信号的那一对走线就 称为差分走线。差分信号和普通的单端信号相比，最明显的优势体现在以下三个 方面14： (1) 抗干扰能力强。因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干 扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端比较的是两信号的差值，所以外 界的共模噪声几乎可以完全被抵消。 (2) 能有效抑制 emi。由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可 以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。 (3) 时序定位精确。 lvds(low voltage differential signaling)是一种低摆幅的差分信号技术， 它使 得信号能在差分 pcb 线对或平衡电缆上以几百 mbps 的速率传输，其低压幅和低 电流驱动输出实现了低噪声和低功耗15。lvds 物理接口使用 1.2v 偏置提供 400mv 摆幅的信号。lvds 驱动和接收器不依赖于特定的供电电压，因此它很容 易迁移到低压供电的系统中去，而性能不变。lvds 具有终端适配容易、功耗低、 可靠性高、低成本和高速传送等优点。这些特性使得 lvds 在计算机、通信设备、 消费电子等方面得到了广泛应用。lvds 信号传输一般由三部分组成：差分信 号发送器，差分信号互联器，差分信号接收器。差分信号发送器是将非平衡 传输的 ttl 信号转换成平衡传输的 lvds 信号，通常由一个 ic 来完成，如 lvds31。差分信号接收器是将平衡传输的 lvds 信号转换成非平衡传输的 ttl 信号，通常由一个 ic 来完成，如 lvds32。差分信号互联器包括联接线 和终端匹配电阻，按照 ieee 规定，电阻为 100 欧，通常选择为 100 欧或 120 欧。lvds 驱动器由一个驱动差分线对的电流源组成通常电流为 3.5ma，lvds 接收器具有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流过 100 欧的匹配 电阻，并在接收器的输入端产生大约 350ma 的电压。当驱动器翻转时，它改变流 经电阻的电流方向，因此产生有效的逻辑“1”和逻辑“0”状态。低摆幅驱动信 号实现了高速操作并减小了功率消耗，差分信号提供了适当噪声边缘和功率消耗 大幅减少的低压摆幅。功率的大幅降低允许在单个集成电路上集成多个接口驱动 器和接收器。这提高了 pcb 板的效能，减少了成本。不管使用的 lvds 传输媒质 是 pcb 线对还是电缆，都必须采取措施防止信号在媒质终端发生反射， 同时减少 第三章 系统硬件设计 21 电磁干扰。lvds 要求使用一个与媒质相匹配的终端电阻(10020)，该电阻终止 了环流信号，应该将它尽可能靠近接收器输入端放置。lvds 驱动器能以超过 155.5mbps 的速度驱动双绞线对，距离超过 10m。 3.5.2 差分板设计 本系统的差分板分为两种：第一种是靠近采样板安装的差分板 1，第二种 是在剔除板附近安装的差分板 2。差分板 1 有三块，而差分板 2 有一块。它们 之间的距离大约为 1m 左右。当距离小于 0.5m 时，大部分电缆都能有效工作， 距离在 0.5m10m 之间时,cat 3(categiory 3)双绞线对电缆效果好、便宜并且容 易买到，距离大于 10m 并且要求高速率时，建议使用 cat 5 双绞线对15。差分 板 1 主要负责把 ads7841 的输出信号进行差分发送，对于 7- 6- 7 结构，每一 块采样板有两片 ads7841，由于 ads7841 是串行输出，所以每块采样板有两 路输出信号需要差分发送，然后在差分板 2 处再把差分信号转变为单极信号。 ads7841 还需要三路控制输入信号：片选信号 cs、控制位输入 din 和转换 时钟信号 dclk。这三路信号是由剔除主板发送的，然后经过差分板 2 差分 发送，在差分板 1 处把这三个信号转换为单机信号。所以对于每块差分板 1， 需要两路的差分发送和三路的差分接收。剔除主板发送的三路控制信号对于 每一块采样板而言都是相同的。差分信号传输图如图 3.6 所示。其中 adout1adout6 为采样板 ads7841 换转后数字信号输出，adcs 为 ads7841 片选信号,adclk 为 ads7841 转换时钟， adin 为 ads7841 控制位 输入信号。差分的芯片选用美国 ti 公司的 sn75lvds31 和 sn75lvds32。 sn75lvds31 为差分发送芯片，sn75lvds32 为差分接收芯片。这两个芯片 都是四通道差分芯片。对于每块差分板 1 这两个芯片只需要各一片即可，而 对于差分板 2，需要两片 sn75lvds32 和一片 sn75lvds31。它采用 3.3v 单 电源供电，所以可以直接和 fpga 相连接。所有未使用的 lvds 接收器输入管 脚悬空，所有未使用的 lvds 和 ttl 输出管脚