（机械电子工程专业论文）大张钞票离线检测解析装置的研制与开发.pdf

四川大学硕士学位论文大张钞票离线检测解析装置的研制与开发研究生胡清阳机械电子工程专业指导老师王庸贵大张钞票离线检测解析装置是离线检测控制过程中进行生产工艺和质量检钡4 控制的关键设备之一，不仅为实现生产过程自动化、质量监测的数字化、信息管理的现代化打下了坚实的基础，同时也大大减轻了岗位工人的劳动强度，提高了生产效率和产品的成品率。因此，研制一套稳定可靠，技术先进的大张钞票离线检测解析装置实为必要。本文所述大张钞票离线检测解析装置是在从德国进1 ：3 的大张钞票离线检测无损喷码标废系统的基础上，采用了高速、可靠的单片机为核心模块组成的检测解析控制装置。对原系统进行了实时仿真、对喷码机实时控制、对多通道重要的运行参数进行了实时检测，对原系统通讯协议进行了解析以及各种故障报警仿真。本文在深入分析原大张钞票离线检测无损喷码标废系统的结构、信号、工艺过程的基础上，设计了大张钞票离线检测解析装置，对该装置的总体结构、方案、软硬件、实验与调试以及抗干扰措施等几个方面进行了论述。本文重点叙述了装置在硬件设计中采用模拟电路技术、数字电路技术进行了对各种通道电器结构的计算与设计；软件设计中在对原系统的时序分析基础上，建立相应的算法进行软件设计，解决了对繁多信号高速的实时性、准确性，并且对软硬件抗干扰进行了研究与设计。为了提高该装置的适用性、可靠性、对现场所需的各种信号进行了时序分析以及硬件、软件的实验仿真。使研制开发的大张钞票离线检测解析装置达到了用户生产要求。该装置由七台高速单片机为核心模块组成，通过与原系统隔离保护、串口四川大学硕士学位论文等方法进行联结，主要完成了数据采集与控制，同时为工控机提供了产品信息实现了质量监测的数字化、信息管理的现代化。关键词：离线检测模拟校验无损喷码协议解析高速单片机四川大学硕士学位论文t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ef a c i l i t yf o ro f f - l i n ec h e c k i n gb a n kp a p e rs p e c i a l t y ：m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gp o s t g r a d u a t e ：q i n g y a n gh us u p e r v i s o r ：y o n g g u iw a n gt h ef a c i l i t yf o ro f f - l i n ec h e c k i n gb a n kp a p e ri so n eo ft h ek e yl i n k si nt h ep r o c e s so fp r o c e s s i n gc o n t r o l l i n ga n dq u a l i t yc h e c k i n gc o n t r 0 1 i ti sn o to n l ys t r e n t h e nt h ef o u n d a t i o nf o rt h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o n ，s c i e n t i f i cm a n a g e m e n t ，s a f eo p e r a t i o na n de n e r g ys a v i n gb u ta l s od e c r e a s et h ew o r k i n gi n t e n s i o na n di m p r o v e st h ep r o d u c i t i v i t y t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oo p t i m a l l yd e s i g na n dd e v e l o ps u c haf a c i l i t yf o ro f f - l i n ec h e c k i n gb a n kp a p e rw i t ha d v a n c e dt e c h n i q u e sa n dm a t u r ed e v i c e o nt h eb a s i so ft h ep r i m a r yc o n t r o ls y s t e mf o ro f f - l i n ec h e c k i n gb a n kp a p e r ,w h i c hn o s c a t h es p r a y i n gc o d ea n dm a r k i n gd i s q u a l i f i c a t i o np r o d u c t s ，w et o o kt h eh i g h - s p e e da n dt h er e l i a n tm i c r o c o m p u t e ra st h eh a r d c o r eo ft h ed e v i c e d ot h er e a l t i m ee m u l a t i o na n dt h ec o n t r o l l i n gt ot h ep r i n t e r , c h e c k i n gt h es e v e r a li m p o r t a n tc i r c u l a t ep a r a m e t e ra n da n a l y s et h et e l e c o mc o d e b a s eo na n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h es t r u c t u r e ，s i g n a la n dp r o c e s s sp r o c e s so ft h ep r i m a r yc o n t r o ls y s t e mf o ro f f - l i n ec h e c k i n gb a n kp a p e r , w h i c hn o s c a t h es p r a y i n gc o d ea n dm a r k i n gd i s q u a l i f i c a t i o np r o d u c t s ，d e s i g n e da n dd e v e l o p i n g e do ft h ef a c i l i t yf o ro f f - l i n ec h e c k i n gb a n kp a p e r ，t h i sp a p e re x p a t i a t eo nt h ed e s i g na n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ef a c i l i t y sc o n s t r u c t i o na n ds c h e m e ，e x p e r i m e n ta n dd e b u gd e s i g n ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，a n t i - j a m m i n gd e s i g na n ds oo n t h ec h e c k i n gf a c i l i f ya d o p t st h et e c h n i q u eo ft h ea n a l o gc i r c u i ta n df i g u r e四川大学硕士学位论文c i r c u i tt oa n a l y z ea n dd e s i g nt h es t r u c t u r eo fm a n yc h a n n e l s e l e c t r i ce q u i p m e n t o nt h eb a s i so ft h es y s t e m i co c c a s i o n a ls e q u e n c ea n a l y s i s ，t h e r eh a sa p p e a r e dt h er e l e v a n ta r i t h m e t i ct od e s i g nt h es o f t w a r ew h i c hh a ss o l v et h ec h a r a c t e ro ft h er e a l t i m ef o rs om a n ys i g n a l sa n dd e s i g n e dt h es o f t w a r eh a r d w a r et od ot h ea n t i - j a m m i n g i no r d e rt op r o m o t et h ee q u i p m e n t s r e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y ,t h e r ed i d t h ei m i t i a t e de x p e r i m e n ta b o u tt h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r e 1 1 1 ef a c i l i t yc o n s t i t u t e sw i t hs e v e nh i g h - s p e e d i n gm i c r o c o m p u t e r sw h i c hi sc o m b i n e dw i t ht h ep r i m a r ys y s t e mt h r o u 出t h es e r i a lp o r ta n dw h i c hs u p p l yt h ep r o d u c t s i n f o r m a t i o nt h e nf m a l l ya c h i e v et h ed i g i t a lo ft h eq u a l i t y c h e c k i n ga n dt h em o d e r n i z a t i o no ft h ei n f o r m - m a n a g e m e n t k e yw o r d s ：o f f - l i n ec h e c k i n g ，n o - s c a t h es p r a y i n gc o d e ，s i m u l a n tv e r i f y ,t e l e c o mp r o t o c o l ，h i g h s p e e ds i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r 婴型奎堂堕主兰焦笙兰一1 绪论大张钞票离线检测解析装置是在原有检测控制系统的总体结构，控制方法的基础上，并结合生产过程自动化、产品质量监测的数字化、信息管理的现代化要求不断提高的情况下，以及系统本身所处环境和所控对象特殊性、多样性的情况下设计研制雨成的。该装置从高速、高准确、高可靠性的设计原则出发，融合自动控制技术、计算机技术与通信技术为一体等技术而研制的智能装置。1 1 课题背景及其意义作为印刷行业生产系统的重要组成部分之一，印刷质量监测系统的国产化式提高印刷行业系统效率的重要环节，如针对邮票、护照、钞票等产品的印刷质量检测等。其中，作为货币流通的钞票，更标志着一个国家的经济发展状况，体现当时的政治背景、时代特征，因而，各个国家的钞票在流通到市场以前均要经过严格的质量检测，以防止印刷质量低劣的产品流通到市场，给伪造钞票带来可趁之机。目前国内尚无成熟的钞票印刷质量自动检测系统，查票印刷质量的检测都是靠人工进行，从钞票的生产到钞票检封完毕，要经过几十道工序，每道工序要投入大量的人力、物力；而且，钞票的生产管理也是一项复杂的工程。这是一种高强度的工作，需要耗费大量的人力，而且容易出现产品质量误检和漏检的问题。可见，钞票生产具有很高成本。因此，在确保质量的同时提高生产效率对印钞具有很大的现实意义”1 。( 1 ) 为印刷出高质量的国际流通的人民币做准备。( 2 ) 统一产品质量标准，实现客观检测。( 3 ) 以自动化检测代替人工检测，解放劳动力。( 4 ) 解决人眼不能检测的内容，如：红外图像、全息图像、隐藏图像。( 5 ) 实现高精度、高速度、稳定可靠的检测，降低生产成本，提高生产率。( 6 ) 对有效跟踪产品在生产线上的情况以及其相应的工艺参数具有重要意义。( 7 ) 对有效查找在线检测生产线上不合格产品的产生质量、提高产品的合格率、对生产过程中工艺参数的优化、进行数字化的管理和监控具有重要意义。建立了产品检验质量数据库后，可以有效的分析每批产品的质量情况，从而能够反四川大学硕士学位论文推出合理、优化的生产工艺参数，进行数字化的管理和监控，提高产品质量。而且生产过程的检测和控制是一个企业的灵魂，企业产品的好坏在很大程度上取决于生产过程的检测和控制，因此提高生产过程检测和控制的水平对一个企业来说就很重要。本装置研究的目的就是达到以上意义。1 2 检测技术在国内外的发展状况自动检测技术是随着计算机的发展而发展起来的一门新兴学科。自动检测是技术要求极高、难度极大、耗时极长的检测工作，可在分、秒级甚至毫秒级的时间内完成。自动检测技术被广泛应用于设备出厂前的性能测试、维修中的定期测试以及使用过程中的连续监测，他还可用于设备的故障检测和故障定位。自动检测技术所谓可靠性工程的一个重要分支，日益受到人们的重视。在经济竞争已越来越激烈的今天，各行各业都不同程度地意识到质量的重要性，深知只有生产出高质量的产品才能取得较大的市场份额。而在制造过程中，对质量进行控制的最基本的方式是检测。根据检l 钡4 时机的不同，我们把检测分为离线检测和在线检测两类”。离线检测是指产品脱离制造过程，在距生产线一定距离的地方进行检测的活动。在线检测是指检测量具、装置或检测站在空间上集成在制造系统中，制造过程与检测过程没有时间延迟或延迟很短”1 。在线检测技术是把计量技术同生产工艺、自动控制原理结合起来，对生产过程中的产品实现1 0 0 的检验，并要求在生产过程中始终处于最佳状态。它综合运用了传感技术、计算技术和自动控制原理等。它属于信息技术范畴，包含着信息的采集、传递和处理。在线检测技术的主要作用，能在生产过程中彻底消灭废品，保证产品的质量，降低消耗。由于生产过程是在自动控制和自动调节的情况下进行，既降低了对操作人员技术水平的要求，又减少了停机，从而提高了劳动生产率。另外，在线检测生产自动化程度高，不仅减轻了操作人员的劳动强度和减少了人为的主观差错，并且，还能适应条件比较恶劣的生产场合和工作环境，如高温、有害气体、强磁场等“1 。纵观国内外在线检测技术的发展，大致经历四个阶段”3 ：第一阶段为单参数检测阶段，即采用仪表对生产过程的主要参数，如尺寸、温度等进行检测；然后由手工操作使生产过程处于最佳参数状态；有的还带有2四川大学硕士学位论文报警装置，以便及时调整工位，避免发生意外，但未形成闭环。这一阶段大约在四十年代以前。第二阶段为局部自动化检测或单机自动化检测阶段。即通过使用在线检测仪器可以对生产中一部分工艺参数进行检测，劳根据检测所得的信息经电子线路或计算机处理后再反馈控制生产工艺，形成闭环，使生产过程能在预定的条件下正常进行，一是废品消灭在加工过程中即达到实时控制的目的。这一阶段越在五十年代后期。第三阶段为生产综合自动化检测与控制阶段。即用多参数检测仪表和计算机，将几个装置、几台单机或整个车间的主机根据工艺过程联结起来，实现车问自动化阶段，这个阶段约在六十年代。第四阶段是工厂企业的生产与管理综合自动化阶段。这个阶段，自动化的范围从车间的主设备扩大到各种辅助生产设备和非直接生产过程。计算机的应用遍及整个工厂各个部门，并采用计算机中心集中控制工厂各个部门的生产运行情况，使整个工厂企业的生产保持在高效率、低消耗、安全可靠的最佳状态。这个阶段约在七十年代。近年来，印刷业向小批量、多品种、高质量的需求发展，用户对产品质量要求越来越严格。因此。印刷厂商对印刷品在印刷过程中实行质量自动检测，是梦寐以求的手段之一，它不及时一刷质量数据化规范化的基础，而且是后续的印刷自动控制的必要环节。尤其在高速运转的印刷机，如不及时发现并排除故障，就意味有大量废次品损失，因此，印刷品再现质量检测应运而生。目前能提供全自动印刷品质量检测系统的有德国、瑞士、美国、日本等国的厂商m ，。从设备的角度来说，全自动印刷品质量检测设备必须能够适应不同的生产过程，尤其是必须适应国内印刷工艺的复杂性、多样性，因此，必须有不同的设备来满足不同客户的检测要求。如果以印刷过程来分，必然有用户可选择的在线检测设备和离线检测设备，更理想的情况是再把离线检测设备细分为单张纸检测设备或盒片检测设备。对于在线检测设备，应能在生产过程中及时发现问题、提醒操作工采取措施解决问题、减少废品，给企业增加利润；对于离线检测设备，是对印刷品进行事后的筛选，对生产流程进行分析，帮助企业的管理层得到更多的信息，协助企业的内部管理。依托设备供应商的能力，最终用户可以选择离线检测设备，而印刷生产商可以在多种选择中自由组合，达到四川大学硕上学位论文1 0 0 全检。以日本的包装印刷生产厂商为例，经济合理的质量控制方式是，首先选用在线检测设备，剔除有缺陷的印刷品；其次配合其他离线检测设备对剔除出来的印刷品做针对性的检测。在线检测用于过程控制，发现问题、减少问题，尽量减少相同问题重复发生的可能性。而与其配合的离线检测设备则是进一步的完善质量体系，达到1 0 0 的全检”。印刷品质量检测技术伴随着人们对印刷要求的发展而发展，从最初的主观目测评价到基于一定理论的客观评价，从离线检测到现在的在线检测，其发展过程中不断革新相关理论知识和汲取科技进步的成果来促进自身的发展。1 3 课题的来源和研究内容成都印钞公司为了提高企业生产管理水平，钞票检测车间引进了一套德国先进的大张钞票离线检测系统，此系统实现了钞票自动化检测，对小开钞票产品进行自动化检测以及喷码有损标废，在某些程度上大大提高了企业生产线自动化水平。但是，由于检测出来的产品质量不能符合实际情况，经检测机检测出的产品不合格率经达3 0 - - 4 0 ，如此高的废品率严重影响了产品生产率。但是，对其中一部分“不合格品”而言，根据国情，仍然可以作为合格品使用。如果起用喷码标废，会造成大量资源的浪费。为了解决现有钞票检测中的一些问题，为了更好实现印钞企业的生产过程自动化、产品质量监测的数字化、信息管理的现代化过程，提高钞票成品率、生产效率，以便找到一种更好的检测控制方法。成都印钞公司结合自身的实力，稳中求胜，决定了走校、企合作的道路，投资近5 0 万元和四川大学联合进行该项目的研究，共同对大张钞票离线检测无损喷码标废系统进行技术改造。开发研究的内容主要如下：( 1 ) 大张钞票离线检测无损喷码标废系统改造的方案论证和可行性分析：( 2 ) 大张钞票离线检测解析装置系统总体方案的设计：( 3 ) 大张钞票离线检测解析装置系统电器元件的选用：( 4 ) 大张钞票离线检测解析装置系统的软件编写和调试；( 5 ) 大张钞票离线检测解析装置系统的硬件制作和调试；( 6 ) 大张钞票离线检测解析装置系统的现场安装和调试。4四川火学硕士学位论文2 大张钞票离线检测解析装置的总体方案设计2 1 原大张钞票离线检测控制系统结构框图1 6 0 米分钟1 6 0 米分钟生产流水线检测工位、弋图2 1 原检测控制系统结构框图如图2 1 所示，是一个原大张钞票离线检测控制系统结构框图。该系统是一个实时在线检测钞票产品质量控制生产流水线过程，生产流水线过程主要包括两个大的工位：生产流水线检测工位和生产流水线喷码标识工位。生产流水线检测工位主要功能是通过图像检测装置来扫描检测在线产品，扫描的信息迸四川入学硕士学位论文入原主机系统解析信息处理，分析产品质量信息。并通过起始信号和在线测距装置的控制信号，来操作执行机构按一定工序运行以及控制喷码机通讯。生产喷码机标识工位主要功能是通过原主机系统送回的控制信号，并与喷码机进行通讯，喷码机根据控制信号对不合格产品进行喷码标识。2 2 原大张钞票离线检测控制系统工艺过程圈2 - - 2 腺检测控制系统工艺过程如图2 - - 2 所示，简单的生产流水线工艺过程。首先，大张钞票经过扫描检测工位进行扫描检测处理，信息进入原主机系统，由于一大张钞票产品是由5列7 行小开组成，通过扫描检测，可以检测出每小开产品是否合格信息：然后钞票再向前运行到喷码标识工位，根据主机处理信息和控制信号，喷码机对不合格的小开产品进行喷码标废；喷码标废后再进入分仓控制工位，对产品的进6四川大学硕士学位论文行分仓处理，合格和不合格产品进行自动分仓。但由于整个检测控制系统检测出来的产品质量不能符合实际情况，经检测机检测出的产品不合格率经达3 0 - - 4 0 ，如此高的废品率严重影响了产品生产率。但是，对其中一部分“不合格品”而言，根据国情，仍然可以作为合格品使用。如果起用喷码标废，会造成大量资源的浪费。所以，目前没有采用该方式，公司先是对大张钞票实行自行自动化检测，自动区分出大张产品合格与不合格产品，而停止对小开产品自动检测和喷码标废。后续工程即对小开产品的质量检测由工人手工进行检测，这样工人对小开产品的检测工作量的大，效率的低，这样不仅大大影响工人对产品质量的检测和生产率的下降。因此，在成都印钞公司领导的决定下，由成都印钞公司的工程人员和四川大学制造学院在原检测系统的基础上联合研制改造这一套钞票检测控制系统，以满足工厂生产需要。2 3 大张钞票离线检测解析装置方案设计2 31 方案设计比较2 3 1 1 工控机组合的检测解析装置这种系统的计算机部分是通用计算机，即利用通用计算机的扩展槽或扩展区，设计应用系统硬件模板，如a d 板、d a 板、i o 扩展板等测、控功能板，与通用计算机构成一个用于完成预定测、控功能的检测控制系统。这种工业控制计算机检测控制系统特点是。1 ：( 1 ) 该系统采用计算机集中控制方式，在这种控制系统中，计算机不但完成操作处理，更主要是可直接根据给定值、过程变量和过程中其他测定值，通过一定的算法运算控制。( 2 ) 系统有较强的软、硬件支持。利用通用计算机的软、硬件资源来支持检测控制系统进行工作。( 3 ) 具有自开发能力。检测控制系统功能模板均由通用计算机的c p u 控制。通用计算机具有较强的操作系统及人机对话功能，可用来编制、调试检测控制系统的应用软件。( 43 系统的软、硬件的应用配置比较小。所谓的应用配置比是指为满足应用四j i f 大学硕士学位论文系统功能要求所必须的软、硬件设置与系统实际具有的软、硬件规模之比。该比值愈小，系统成本愈高，但二次开发时，软、硬件的扩展能力较好。( 5 ) 由于采用集中控制方式，所有的控制回路都由一台计算机控制，当功能增多，系统响应时间受到影响，特别是在高速生产流水线上很难实现实时在线准确的处理；同时，一旦某一控制回路出现问题，将导致整个控制系统的瘫痪。2 3 1 2 普通单片机纽合的检测解析装置随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8 位单片机出现后，用单片机设计专用计算机应用系统的趋势越来越盛。单片机检测控制系统是一种用单片计算机及其外围芯片构成的检测控制系统。用单片机构成的专用计算机应用系统，具有下列特点。：( 1 ) 该系统不具有自开发能力。因此，系统的软、硬件开发必须借助于开发工具，系统调试困难；( 2 ) 系统的硬件、软件的设计与配置规模都是以满足系统功能要求为原则，因此，系统的软、硬件应用配置比接近于l ，具有最佳的性能价格比。( 3 ) 由于单片机本身就具有小巧、功耗低、控制功能强等优点，系统实时控制功能强。( 4 ) 普通单片机还存在执行速度不够高，不能满足高速实时处理过程。( 5 ) 系统人机界面差，不适用于数据的管理，后期处理。( 6 ) 仍然存在集中控制的弊病。2 3 1 3 高速专用计算机组合的检测解析装置根据上述两种方案的比较，结合两种方案各自的优缺点，提出以高速专用计算机为主导的检测解析系统。( 一) 高速专用计算机和工控机组成的检测解析装置系统主要由专用计算机和工控机组成的，工控机是通用计算机，即利用通用计算机的扩展槽或扩展区，设计应用系统硬件模板，与通用计算机构成一个用于完成预定检测和控制功能的系统。结构示意图如2 3 所示：四川大学硕士学位论文原主机系统t喜串口设备图2 - - 3 系统方案一结构不意图系统各部分功能：( 1 ) 专用计算机l 至6 主要对原主机系统的通讯信号进行解析，模拟喷码机，并对小开产品进行检测，将相关信息反馈给原主机系统和传送到工控机。( 2 ) 工控机根据接收到的信息并结合旋转编码器和光纤传感器的信号进行相应的计算，控制喷码机进行喷码，另外，工控机对大张钞票进行编号、统计、数据存储、查询和打印。( 3 ) 数据采集卡用于工控机的扩展槽或扩展区，对旋转编码器和光纤传感器的信号实行数据实时采集处理，再将数据信息送到工控机。( 4 ) 光纤传感器信号送到数据采集卡进行信号采集，用于确定在线检测系统中大张钞票的初始位置以及钞票的有无( 大张钞票包括行列的小开钞票产品) 。( 5 ) 旋转编码器将信号送到数据采集卡进行信号采集，用于确定每行小开产品在线走过的距离，即检测小开产品在线具体位置，以及产品实时在线速度。方案( 一) 的特点：( 1 ) 该系统采用通用计算机集中控制方式，在这种控制系统中，计算机不但完成操作处理，更主要是可直接根据给定值、过程变量和过程中其他测定值，通过一定的算法运算来进行检测控制。检测大张钞票的有无以及小开产品在线实时具体位置，是由工控机通过采集卡信号采集处理得到的。小开产品质量的检9四川大学硕士学位论文测信息也是直接由工控机通过采集卡从专用计算机系统采集得到。同时，工控机还控制喷码机在大张钞票边缘进行喷码，此系列操作属于多任务操作，工控机利用计算机系统的软、硬件资源实现起来较容易。( 2 ) 系统通过工控机对产品质量的数字化、并进行产品质量数据统计、数据管理、查询和打印，工控机具有较强的操作系统及人机对话功能，较容易实现生产过程的产品质量数字化、信息管理的现代化。( 3 ) 由于采用集中控制方式，所有的控制回路都由台计算机控制，当功能增多，系统响应时间受到影响，特别是在高速生产流水线上，很难实现实时在线准确的处理；同时，一旦某一控制回路出现问题，将导致整个控制系统的瘫痪。( 二) 全部由高速专用计算机组成的检测解析装置随着集成芯片技术的不断提高，特别是各种高速专用计算机出现后，高速专用计算机的应用趋势越来越盛。系统采用全部由高速专用计算机组成的检测控制系统，提出方案的结构示意如2 4 图所示：入“辅。9 模块产品数据采集模l 堕里垫卜一i专用计算机7一旋琏绚舀盎i商jc 数据信号采集，卜厂鬲磊磊工控机r 特捏离、图2 - - 4 系统方案二结构示意图1 0四川大学硕士学位论文系统各部分功能：( 1 ) 专用计算机1 至6 主要对原主机系统的通讯信号进行解析，模拟喷码机，并将相关信息反馈给原主机系统和传送到工控机。( 2 ) 专用计算机7 根据接收到的信号进行相应的计算，控制喷码机进行喷码操作，另外，专用计算机7 将处理的产品数据信息传送给工控机；( 3 ) 工控机对离线检测的产品质量信息进行数据库存储、查询等管理。( 4 ) 光纤传感器信号送到专用计算机7 ，用于确定在线检测系统中大张钞票的初始位置以及钞票的有无。( 5 ) 旋转编码器将信号送到专用计算机7 ，用于确定每行小开产品在线走过的距离，即检测小开产品在线具体位置，以及实时在线速度。方案( 二) 的特点：( 1 ) 由于高速专用计算机本身具有高速处理的速度，提高了检测运算速度和通讯速度，对生产过程的在线检测具有很强的实时处理功能，大大提高了在线检测的准确率、可靠性和稳定性。而且本身就具有小巧、功耗低、抗干扰强、控制功能强等优点。( 2 ) 为了实现生产过程的产品质量数字化、信息管理现在化，专用计算机将在线检测的数据信息送到另加一台工控机，工控机进行产品数据信息管理，以及人机界面的对话。通过以上几种方案的比较，结合现场的情况以及实际高速、高准确率、高可靠性、高稳定性、高保护性等要求，我们采用了方案( 2 2 ) 进行实施。2 3 2 大张钞票离线检测解析装置的设计2 3 2 1 大张钞票离线检测解析装置的设计要求为了满足生产工艺实际情况，对大张钞票离线检测解析装置提出设计要求：( 1 ) 具有良好的稳定性能，实现快速、准确、自动化的检测控制。( 2 ) 在保证检测准确度的前提下，结构简单，使用可靠，维修方便。( 3 ) 具有较好的适应性，不但能够适应多品种、多配比的变化，而且能够适应环境及工艺形式的不同要求。四川大学顿士学位论文2 3 2 2 张离线检测解析装置的设计内容( 1 ) 在原有系统中，对检测为不合格的小开产品，由主机通过串口通信控制相应的喷码机在其上喷码标废。故可截获通信指令并加以解析，从而获取产品质量信息。采集5 路小开产品信息并加以组合，可生成大张产品数据。( 2 ) 在不改变原有系统的基础上进行通信协议解析，实时响应主机命令，且不影响原有系统的正常运行；( 3 ) 生成大张产品相关数据信息；( 4 ) 数据具有掉电保护功能；( 5 ) 串口通信具有故障报警功能；( 6 ) 为了保证原有系统的安全可靠，新增装置与原系统连接采用高速光电隔离。( 7 ) 在大张产品空白侧边打印编码，以标识不同大张产品。依据编码，可查询由产品数据采集模块生成的大张产品数据。( 8 ) 对原有系统中一台喷码机进行升级，以提高原喷码机的响应及打印速度；( 9 ) 在大张空白侧边实时喷大张产品编码；( 1 0 ) 大张产品编码规则( 采用数字码0 9 ，编码用1 2 位表示) 。2 3 2 3 大张钞票离线检测解析装置设计的技术指标根据本课题的具体情况，结合公司生产工艺，我们实施的该课题应当达到以下技术指标：( 1 ) 大张产品标识码1 0 0 喷在非产品区域：( 2 ) 喷码机喷码漏喷率和误喷率为万分之一：( 3 ) 系统硬件平均无故障时间为一万小时：( 4 ) 小开废品指示准确率为1 0 0 ；( 5 ) 电池供电最短时间为1 2 0 小时。四川大学硕士学位论文3 大张钞票离线检测解析装置的硬件设计3 1 高速单片机在设计中的确定根据方案的设计，离线检测解析装置的设计，全部由专用计算机组合的系统来实现。根据分析，专用计算机系统须具有以下特点：( 1 ) 采用高速光电隔离技术，隔离所有i o 量和通讯信号；( 2 ) 采用高速处理器，提高了运算速度和解析通讯速度；( 3 ) 具有高可靠性，同其他系统相对独立，提高可靠性；( 4 ) 减少对工控机的依耐性，可以独立工控机而正常运行；( 5 ) 系统采用实时时钟，确保上传工控机的数据信息实时性和正确性：( 6 ) 数据具有掉电保护功能，保证数据不丢失；( 7 ) 采用软件在线修改与调试技术，增加系统灵活性；根据实际的特点分析，专用计算机系统选用选用美国c y g n a l 公司生产的c 8 0 5 1 f 系列的高速单片机。它是真i e 独立工作的片上系统s o c 。c 8 0 5 l f 系列的高速单片机具有以下特点：( 1 ) 高速的( 2 0 m i p s 2 5 m i p s ) 与8 0 5 1 全兼容的c i p 5 1 内核。与m c s 一5 l 指令系统全兼容，可用标准的a s m - - 5 1 、k e i lc 高级语言编程。( 2 ) 高速指令处理能力，标准器周期要占用1 2 个系统时钟周期，执行一条指令最少要一个机器周期。指令处理采用流水线结构，机器周期由标准的1 2 个系统1 个系统时钟周期，指令处理能力比m c s 一5 1 大大提高。c i p 一5 1 内核7 0 的指令执行是在一个或两个系统时钟周期内完成，只有四条指令的执行需4 个以上时钟周期。( 3 ) 工作电压2 7 v 一3 6 v ，典型值为3 v 。( 4 ) 片内j t a g 仿真电路，提供全速的电路片内仿真，不占用片内用户资源。支持断点、单步、观察点、运行和停止等调试命令，支持存储器和寄存器校验和修改。3 2 主控芯片的选择根据前面的方案提出c 8 0 5 1 f x x x 系列高速单片机在本系统中应用的确四川i 大学硕士学位论文定，此系列单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机。美国c y g n a l公司，自从1 9 9 9 年3 月成立以来为市场提供了几十个品种的c 8 0 5 1 f 系列片上系统单片机。根据片内资源和主要功能的划分，产品主要可划分以下几类系列单片机：( 1 ) 通用型：c 8 0 5 1 f 0 2 x 系列和c 8 0 5 1 f 3 1 x 系列，代表的微处理芯片有c 8 0 5 1 f 0 2 0 和c 8 0 5 1 f 3 1 0 ；( 2 ) 超微型：c 8 0 5 1 f 3 0 x 系列，代表的微处理芯片有c 8 0 5 1 f 3 0 0 ：( 3 ) 高速型：c 8 0 5 l f l 2 0 1 2 4 ；( 4 ) 精确a d ：c 8 0 5 1 f 0 6 0 ；( 5 )c a n ：c 8 0 5 1 f 0 4 x 系列：( 6 ) u s b 型：c 8 0 5 1 f 3 2 x 系列，代表的微处理芯片有c 8 0 5 1 f 3 2 0 ；根据本系统的高速性、可靠性和其他控制功能的要求，系统的主控芯片选用c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片。如图3 l 所示c 8 0 5 1 f 0 2 0 结构框图图3 lc 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机结构框图3 2 1c 8 0 5 1f 0 2 0 高速单片机主要资源一、高速8 0 5 1 微控制器内核流水线式指令结构，7 0 的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期速度可达2 5 i f l i p s ( 时钟频率为2 5 m i q z ) ；2 2 个矢量中断源；在系统、全速、非插入式调试接口。凹川大学硕士学位论文二、模拟外设逐次逼近型8 路1 2 位a d c ；采样速率最大l o o k s p s ，内置温度传感器( 3) ：8 路8 位a d c ( a d c l ) ( 输入与p l 口复用) ，采样速率最大5 0 0 k s p s ；两个1 2 位d a c ；两个模拟比较器；电压基准：内部提供2 4 3 v ；外部基准可输入；精确的v d d 监视器。三、数字外设8 个8 位的端口i o ，所有端口均耐5 v 电压；s p i 、2 个增强型u a r t 串口；可编程的1 6 位计数器定时器阵列( p c a ) ，5 个捕捉比较模块；可编程的1 6位计数器定时器，5 个通用1 6 位计数器定时器；专用的看门狗w d t ，双向复位模块。四、存储器片内4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节数据r a m ；6 4 k bf l a s h 程序存储器接口可以在系统编程，扇区大小为5 1 2 字节；外部可扩展的6 4 k 数据存储器接口( 可编程为复用方式或非复用方式) 。五、时钟源内部可编程振荡器：2 1 6 m h ；外部振荡器：晶体、r c 、c 、或外部时钟；实时时钟方式( 用定时器3 或p c a )3 、2 20 8 0 5 1f 0 2 0 高速单片机主要特性c 8 0 5 1 f 0 2 0 微控制器的内核c i p 一5 1 在保持c i s c 结构及指令系统不变的基础上对指令实行流水作业，该器件废除了机器周期的概念，它的指令以时钟周期为运行单位，因而大大提高了指令的运行速度。当晶振为2 5 m h z时，c 8 0 5 1 f 0 2 0 的指令执行速度峰值可达到2 5 m i p s 。c i p 一5 1 微控制器的存储器结构与标准的8 0 5 1 类似，程序和数据存储器共享同一地址空间，但可用不同的指令类型来访问“。c 8 0 5 1 f 0 2 0 带有8 个i 0 端口( 6 4 根i 0 口线) ，其中包括四个低部端口p o p 3 ( 可以位寻址) 和四个高部端口p 4 p 7 ( 不可以位寻址) 。在c 8 0 5 1 f 0 2 0 中，可通过网络开关以硬件的方式实现i o 端口的灵活配置，也可以通过设置相应的寄存器控制交叉开关来把i 0 口配置为所选择的特殊功能四川大学硕士学位论文端口。c 8 0 5 1 f 0 2 0 有5 个定时计数器：t o 、t 1 、t 2 、t 3 、t 4 。其中t 0 、t l 和t 2 与标准8 0 5 1 用法一致。t 3 是一个具有自动重装载功能的计数器，可以用作启动a d c 数据转换、s m b u s 定时和通用计数器。t 4 可用作自动重装载功能的1 6 位定时计数器、有捕获功能的1 6 位定时计数器和u a r t i 的波特率发生器。其定时计数器的工作模式均可通过配置相应的特殊功能寄存器设定。通过s p l 可访问4 线( m o s i 、m i s o 、s c k 、n s s ) 全双工串行总线。它可以工作于主、从两种方式。s m b u s ( 系统管理总线) 是双线双向串行接口，符合s m b u s l 1 版本，并与1 2 c 串行总线完全一致。c 8 0 5 1 f 0 2 0 的s5 l f _ b u s 也可工作于主、从两种方式。它们在进行数据交换时，均由主器件来启动。片内部有一个9 通道、1 2 位a d 转换器a d c o 和一个8 通道、8 位a d转换器a d c l 。有两个1 2 位d a 转换器d a c o 、d a c l ，它们也可以通过寄存器配置来选择。新型c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机把单一的引脚复位发展成多源复位，包括上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟丢失检测复位、比较器0 复位、w d t 复位和外部c r 、s t r 弓l 脚复位等。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性和系统的零功耗设计等带来了极大的好处。c 8 0 5 1 f 0 2 0 完善的时钟系统能够在满足相应速度的前提下可使平均时钟频率最低，而多复位源则可使系统在掉电方式下随意唤醒。c 8 0 5 1 f 0 2 0 片内配置了标准的jt a g 接口。在上位机软件的支持下，通过串行的j t a g 接口可直接对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式、不占用片内资源、全速在线系统的调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，同时支持断点、观察点、单步运行及停机命令。综上所述，c 8 0 5 1 f 0 2 0 是一种集成度高、功能强大的单片机芯片，非常适合于要求速度快、可靠性高、扩展功能强和节电的应用系统“。一婴型奎兰堡圭兰焦望苎3 3 复位和外振荡器电路设计33 复位电路设计在大张钞票离线检测解析控制工作中，系统需要外部电路强制进行复位控制，而系统核心模块的复位r 趼引脚加一个低电平有效信号加一个低电平有效信号，使用外部电路强制m c u 进入复位状态。3 kr l o、1 警! 卜叫 ! 勺2 4 v g n dr e s e tb u t t o nl kt 嚣?g n di kr l l = 1 0 0 kr 2 03 vg n dt 面g n dl kr 2 1 = = 1 3 v1 0 9 k翌生一r e s e 3 3于g n d1 k= 一3 v1 0 0 k图3 - 2 复何电路设计设计的复位电路，其中r e s e t l 为c 8 0 5 1 f x x x 单片机复位信号，工作时，单片机复位信号r e s e t l 通过上拉电阻拉为高电平，处于不复位状态，考虑到实际应用中存在受电源波动的干扰，当单片机电源受到干扰后，电压下降至低电平时，复位端电位也跟随下降至低电平。显然会引起单片机的复位，使单片机无法正常工作，为了有效抑制单片机电源波动对复位端的影响，在信号输入端对地再加上去耦电容c i o 滤波，其值为0 1 u f 。其他两个复位信号r e s e t 2 、r e s e t 3分别为另外两台c 8 0 5 1 f x x x 单片机的复位信号，工作原理相同。由于复位开关信号需要较长的距离才能输入到单片机进行复位控制，并为了对复位信号进行隔离保护，因此电路中设计了光电隔离芯片t l p 5 2 卜l 进行隔离保护，r e s e tb u t t o n 为总复位按钮，复位按钮一接通地线，向内部复位信号输入一个低电平产生系统复位。四川大学硕士学位论文3 32 外振荡器电路设计外部晶振电路的设计如图3 3 所示，共有四种模式：并行方式的晶体、r c网络连接、电容、外部c m o s 驱动器，工作时必须在o s c x c n 寄存器中为这些振荡源中的某一个配置振荡器电路“。图3 - 3 外部振荡器电路图3 4 检测起始信号电路设计叫l k检测大张产品的初始位置，以及产品的有无，以便对大张产品进行编码，完成对大张产品编码：初始位置的确定采用传感器技术，并结合旋转编码器信号，确定大张产品与小开产品在线实时位置。图34 起始信号处理框图1 89 _ ! 川大学硕上学位论文3 41 光纤传感器的应用本系统选用光纤传感器作为产品探测器来确定大张产品的初始位置。光纤传感器是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的性质( 如强度、波长、频率、相位、偏振态等) 发生变化，成为被调制的信号光。再经过光纤送入光探测器，经调制解调后，获得被测参数。光纤传感器按原理不同，可分为传光型和传感性。传感型是以光纤本身作为敏感元件，使光纤兼有感受和传递被测信息的作用。传光型是把由被测对象所调制的光信号输入光纤，通过输出端进行光信号处理而进行测量的。本系统中采用的就是传光型的光纤传感器。光纤仅作为被调制光的传播线路使用。由于这种应用类型的传播功能和调制功能是分开的，所以结构简单，容易操作，可靠性高，应用领域宽，易于实用化”。由于本系统所要检测的水印与纸张在透射光的作用下存在着色泽上的差别。因此利用这个差别进行水印的检测。此处使用传光型，如3 5 图所示：光源妓巡监匹五一箩出图3 - 5 传光型传感器如果在调制器位置使产品通过，即改变了光的强度，则在输出端输出信号的强弱也应发生相应改变，由此可检测产品的有无。3 4 1 旋转编码器的应用主要功能：确定每行小开产品在线走过的距离，即检测小开产品在线实时具体位置，并可以检测产品实时在线速度。本系统选用旋转光电编码器来测量距离。常用的光电编码器的内部工作原理可简述如下：由玻璃或者塑料制成的圆盘被分成透明和不透