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。 摘要 基于d s p 在并条机自调匀整检测中应用 摘要 并条机自调匀整质量检测装置是设置在并条机喇叭口( f p ) 上，在并条 机高速生产条件下用来检测、分析棉条质量的装置；它可以连续不间断 的显示棉条不匀指标和不匀曲线。质量检测装置可以检测出自调匀整的 效果。当生产过程中出现棉条不均匀时，质量检测装置会通过计算机一 定的程序运算发出警报；同时工作人员可以从波谱图上判断分析造成棉 条不匀可能产生的原因，进而可以解决出现的故障问题。 本文设计了基于d s p 芯片的质量检测系统。棉条经过设置在并条机 喇叭口的检测传感器时由传感器产生电信号，模拟信号被a d 转换器转 换成数字信号并通过d s p 的多通道缓冲串口采集到存储器中，由d s p 芯 片进行频谱分析( 快速傅立叶算法) ，然后转存到d s p 主机可访问的区域， 最后通过p c i 总线传输到上位机( i p c ) 。通过i p c 机上一定的程序运算 发出警报，同时不匀曲线图和波谱图在屏幕上显示，工作人员从而可以 分析棉条的均匀度以及信号的波长周期性变异的可能原因，由此并进一 步解决机器故障来改进棉条质量。 论文首先介绍了有关并条机开环自调匀整和质量检测的知识，阐述 了自调匀整质量检测的重要性。介绍了自调匀整质量检测系统的工作过 程，就棉条质量检测分析了表示棉条不匀指标的算法、数字信号傅立叶 变换的原理。还研究了基于d s p 的质量检测系统的硬件电路设计，其中 电路设计包括d s p 、电源、存储器设计等模块。各种设计模块里其中a d 转换电路主要是对输出棉条进行采样，将模拟信号转换成数字信号；d s p 模块主要是对数字信号进行处理，控制外围相关芯片，并通过p c i 2 0 4 0 芯片与i p c 进行通信；电源模块主要设计由i p c 提供的5 v 电压变压成所 需的3 3 v 和1 6 v 电压；存储器设计模块主要是设计f l a s h 来存储程序 代码。论文的软件部分：其中d s p 软件设计是在t i 公司推出的针对标准 t m s 3 2 0 调试接口的集成开发环境c c s 下开发完成的，程序的主线是： 摘要 首先将采集信号进行存储，采集到一定量数据后利用快速傅立叶变换进 行频谱分析，得到的数据传输给i p c ；论文还针对p c i 总线进行驱动设计， 研究了w d m 驱动模式的组成、开发设备驱动程序的工具以及在开发系 统实际硬件的设备驱动程序时的一些关键技术。 最后论文通过大量的并条机运行实验，分析和总结了该装置的效果。 关键字：并条机；自调匀整；质量检测；傅立叶变换 苹季走学 哺皿n 明盯啊眼研 a p p l i c a t i o no fd s p0 nt h ed e t e c t i o n o f a u t o l e v e l e r a b s t r a c t t h eq u a l i t yt e s t e ri n s t a l l e do nt h ef pi sa ni m p o r t a n tp a r to f m o d e r nh i g h s p e e dd r a w i n gf r a m e i t s f u n c t i o n sa r e t e s t i n g a n d a n a l y z i n gt h er e g u l a r i t yo fd r a w nsli v e ra th i g hs p e e d i tc a nd i s p l a y t h es “v e ru n e v e n n e s si n d e x e sa n dt h ei r r e g u l a r i t yc u r v ec o n t i n u o u s l y w h e nt h es l i v e ri su n e v e n ，aw a r n i n gi si s s u e db yad e v i c ea n dt h e a u t o - l e v e l e ro nd r a w i n gf r a m ew o r k st h r o u g ht h e c o m p u t e rc e r t a i n o p e r a t i o n s t h e nt h es i l v e ri si m p r o v e dt h ee v e n n e s sb yt h ea u t o 1 e v e l e r p e o p l ec a nf i n dr e a s o n so fu n e v e nr a t et h r o u g ha n a l y z i n gt h e s p e c t r u ms h o w e do nc o m p u t e r i nt h i sp a p e r , q u a l i t yd e t e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 、e nt h es l i v e rp a s s e st h r o u g has e n s o rw h i c hi s i n s t a l l e do nt h ef po ft h ed r a w i n gf r a m e ，s i n g l e sf r o mt h es e n s o r a r e c o n v e r t e di n t o d i g i t a ls i g n a l st h r o u g ht h es e r i a l a n a l o g t o - d i g i t a l c o n v e r t e r t h ed i g i t a ls i g n a l sf i r s t l ya r es a m p l e dt om e m o r yb yt h e m u f t i - c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a l p o r t ( m c b s p ) o fd s pc h i pa n dt h e d i g i t a l ss p e c t r u mi sa n a l y z e db yu s i n gt h ef a s tf o u r i e rt r o u r i e r ( f f t ) a l g o r i t h m ，t h e nt h ed i g i t a ls i g n a l sa r es t o r a g e dt h ea r e aw h i c ht h eh o s t c a na c c e s s l a s t l yt h ed i g i t a l s i g n a l sa r et r a n s m i t t e dt oi n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u t e r ( i p c ) b yp c il o c a lb u s w h e nt h es l i v e ri su n e v e n ， t h es1 i v e ru n e v e n n e s si n d e x e sa n dt h ei r r e g u l a r i t yc u r v ea r ed is p l a y e d o nt h es c r e e n 。肋r k e r sa n a l y z ea n ds o l u t et r o u b l e sw h i c hm a k et h e sll v e ru n e v e n n e s s s ot h eq u a l i t yo f s1 i v e ri sr e a l i z e da n d i m p r o v e d r j一一 lh i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ck n o w l e d g eo ft h ea u t o l e v e l e rc o n t r o l s y s t e ma n dt h eq u a l i t yd e t e c t i o n ，a n a l y z e si t si m p o r t a n c ei nt h ew o r k p r o c e s s i ta l s oa n a l y z e st h esli v e ru n e v e n n e s si n d e x e sa n dt h ep r i n c i p l eo ff a s t f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n t h ep a l d e s i gh a r d w a r eo ftheourler r a n s t o r m a t i o n 1 9 a p e rd e s i g n so ft h eo ft h e q u a l i t yd e t e c t i o ns y s t e m t h ed i g i t a lc i r c u i tb o a r dm a i n l yc o n s i s t st h e i i i 雾季天学 f o l l o w i n gm o d u l e s ：p o w e rm a n a g e m e n tm o d u l ec i r c u i t s ，i tp r o v i d e sd c p o w e rs u p p l y f o rv a r i o u s d e v i c e s ；t h ea d c o n v e r t e rc i r c u i t ，i ti s c o n t i n u o u s l ys a m p l i n gt h es i g n a l sa n dc h a n g i n ga n a l o gs i g n a l st od i g i t a l s i g n a l s ；t h ed s pm o d u l e ，i te x e c u t e sr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，a l s o c o n t r o l so t h e rr e l a t e dd e v i c e s c o m m u n i c a t e sw i t hi p c i ta l s oi n t r o d u c e s s o f t w a r ed e s i g no fd s ps y s t e r n 。t h es o f t w a r ei s d e v e l o p e du n d e rt h e i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc c s w h i c ha i m e da tt h et it m $ 3 2 0 d e b u gi n t e r f a c es t a n d a r d s s o f t w a r er e a l i z e sm a i np r o c e s sa sf o l l o w s ：c o l l e c t a n ds t o r es i g n a l s a b dp u ts a m p l e dd a t af r o m 加c o n v e r t e ri n t or a mo fd s p c h i p i ti n t r o d u c e sd e s i g no fp r o g r a mo fi n t e r f a c e sb e t w e e nd s pa n dp c i t h e d e s i g no ft h ed e v i c ed r i v e ri sav e r yi m p o r t a n tp a r t t h ep a p e rd e s c r i b e st h e c o m p o s i t i o no fw d m d r i v e rp a t t e ri nt h ew i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i o ns y s t e m t h e t o o l so fd e v i c ed r i v e ra n dt h ek e yt e c h n i q u e si nt h ed e v e l o p m e n td e v i c ed r i v e r b a s e do na c t u a lh a r d w a r e a t l a s t ，p l e n t yo fe x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u tt ot e s tt h es y s t e me n t i r e l y k e y w o r d ：d r a w i n gf r a m e ；a u t o l e v e l e r ；q u a l i t yd e t e c t i o n ；m i v 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密囤。 学位论文作者签名：阂值 日期：刎年匆月肜日 指导教师签名：叶i 呵讧 日期：伊多年) 月 午日 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论 文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内 容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：7 - - - - g 使 日期：幻谚年专月够日 。 雾季天学 第一章绪论 址；瞳址n 刊驷瞄n f 1 1 自调匀整装置概述 第一章绪论 自调匀整装置是一种用来控制纱条粗细不匀的自动调节装置 1 - 2 ，在纺 纱过程中，纱条断面粗细不匀的变化是一种平稳随机过程，它含有各种形式 的不匀，波形复杂。如果对纱条粗细不匀不加以控制，那么所加工的纱条除 原有的单位长度不匀外，还会增加各工序所造成的不匀，这些不匀都将出现 在成纱中，而且不匀的最初长度都将随着各工序的牵伸倍数而大大增长，最 后将导致成纱均匀度差，强力低，断头率高，品质指标下降，严重影响织物 的质量和外观。因此，为了提高纱线和织物的质量，必须采用自调匀整装置 【2 】 o 自调匀整装置的研究，从清棉机上的洋琴装置算起已经有百余年的历史 了。1 8 8 4 年美国人阿史顿( ( a t a t h e r t o n ) 第一个取得了这方面的进展，但 这些研究是比较简单的，不完善的。直到1 914 年自调匀整技术的研究才有 了较大的发展，爱尔兰人爱维斯( j u e v e s ) 发明了带有延迟机构的较完善的 机械式自调匀整装置，这种装置和现在的机械式自调匀整装置是极类似的。 然而自调匀整技术的迅速发展和广泛应用于生产实际，还是近六十年的 事。英国人雷伯( c z f 。r a p e r ) 对自调匀整的研究始1 9 3 7 年，而有成效的工作 是在1 9 4 5 年以后。雷伯发明的自调匀整装置，1 9 5 3 年的英国曼彻斯特国际 纺织机械展览会和1 9 5 5 年的布鲁塞尔第二届国际纺织机械展览会上展出后， 在精梳毛纺工业中得到了应用。19 5 9 年在意大利米兰第三届国际纺织机械展 览会上，第一次展出了棉纺用的自调匀整装置，瑞士的格拉夫( g r a f ) 公司制 造了用于梳棉机的自调匀整装置，瑞士的乌斯特( u s t e r ) 和美国的萨克洛威 尔( s a c o l o w e l1 ) 两家公司协作制造了用于并条机的自调匀整装置，以后自 调匀整装置在棉纺中得到了应用。 由于自调匀整理论的发展，机械制造工业的进步和自动化元件质量的提 高，这些年来许多国家相继制造了许多不同类型的自调匀整装置，并广泛地 应用于纺纱中。但总的看来自调匀整装置的发展，棉纺晚于毛纺。在棉纺中， 梳棉机自调匀整装置的大量发展比并条机要晚些，虽然棉纺自调匀整装置的 研究起步较晚，但是进展较快。 自调匀整的研究和发展涉及到许多科学和技术。纺纱过程中，纱条内存 4 。 第一幸绪论 在各种形状和各种片断长度的不均，自调匀整装置能在一定的范围内起匀整 作用，但没有消除所有不均的能力。自调匀整装置必须具有针对性。 1 2 自调匀整装置的组成与分类 1 2 1 自调匀整装置的组成 自调匀整装置一般有四个部分组成，分别为检测、转换、调节、执行。 ( 1 ) 检测：在运转中测定喂入或输出产品不匀率的变化。 ( 2 ) 转换：将检测所得的信号( 位移) 转变成所需的其他信号( 电量的 变化) 。在检测信号传至变速机构时，应延迟一段时间，使半制品从检测点 走到变速点才开始变速，因而需要有延迟机构。 ( 3 ) 调节：将信号按比例放大或再加以积分、累计，并与标准比较。 ( 4 ) 执行：即变速机构，利用传导或变换放大机构送来的信号及时使前 罗拉或后罗拉发生相应速度变化，自动地调节牵伸。 1 2 2 自调匀整装置分类 按控制系统分类，一般分为开环系统、闭环系统和混合环系统三类。 ( 1 ) 开环系统 开环系统的自调匀整装置如图1 - 1 所示，其主要特点是先检测后控制回 路是非封闭的。 图1 - l 开环系统自调匀整装置 开环控制系统只调节，不能核定调节结果。故开环系统在使用前必须精 确校正，在正常工作时还要保持标准的参数不能改变。同时，各环节参数变 化或外界干扰的偏差也无法修正，易使条子定量产生偏差，所以开环系统运 行的稳定性较差。另外开环系统属于针对性匀整，调节性能好，在开环系统 中，喂入纱条的重量是在尚未进入牵伸装置时由前检测机构检测的，在这种 情况下，只要控制系统的时间延时与纱条通过检测点到匀整点之间所需的时 - 5 o 第一章绪论 间配合得当，以及使牵伸倍数的变化完全正比于纱条厚度的变化，可以消除 一定频率范围的不匀波。这类系统是按照补偿原理工作的，匀整效果较好， 主要用于匀整短片段不匀。 ( 2 ) 闭环系统 闭环系统的自调匀整装置如图1 - 2 所示，其主要特点是先调节后检测， 在系统中控制回路为封闭的，即具有反馈回路。 图1 - 2 闭环系统自调匀整装置 闭环系统是先匀整后检测，因此它不能匀整波长等于或小于匀整点到检 测点距离的不匀波。从匀整点到检测点的距离称为匀整死区，其所需运行的 时间称为死时。匀整死区的存在是闭环系统的主要特性之一，它决定了闭环 系统主要是匀整长片段的不匀。因闭环系统的针对性不强，故适宜于长片段 的不匀，不匀的规律性越强，匀整作用越佳。中片段的不匀往往易造成系统 的误动作，反而使中片段的均匀度恶化。因此，采用闭环系统，虽对长片段 或很长片段的不匀有显著效果，但是缺点是对中片段或中短片段的不匀有恶 化的可能。 ( 3 ) 混合环系统 混合环的自调匀整装置如图1 - 3 所示，其特点是在牵伸的调整系统中， 既有开环系统，又有闭环系统，两者结合使用。 图1 3 混合环系统自调匀整装置 混合环的自调匀整装置兼有开环和闭环的优点，既能保持匀整效果，又 能自动修正各种波动所造成的偏差，但是在结构技术上复杂，在经济上的花 6 。 第一章绪论 费大p j 。目前很少采用混合环控制的自调匀整装置。 企业里并条机上多以开环系统为主。因为并条机要求匀整的片段很短 ( 如u s t e r 的u s c 系统可达到1 5 - 2 0 毫米( m m ) ，特别是要能消除精梳工序由 于搭接引起的不匀；而且并条机的出条速度很快，国外并条机已达到10 0 0 米分( m m i n ) ，国产并条机也达到5 0 0 m m i n ，在这种情况下，准确检测输出 棉条线速度很困难，根据工厂实际使用情况来看，无法准确检测输出棉条线 速度，则不可能构成闭环，预测控制理论无法使用，再者预测控制理论算法 较复杂，对实时性要求太高的并条机自调匀整系统来讲，实现较为困难。因 此在能够检测输出棉条不匀的传感器开发出来之前，开环控制仍是首选。但 为了防止由于各环节参数变化或干扰引起的条子定量偏差，都是在罗拉之后 的喇叭口加装质量检测装置，当条子定量超出匀整范围时，就报警或停车 4 - 5 1 。下面简要介绍设置在喇叭口的质量检测系统。 1 3 喇叭口质量检测装置 喇叭口检测装置( 质量检测) 是配合自调匀整控制系统，在高速生产条件 下用其来保证棉条的质量。许多新型高速并条机都在喇叭口安装了在线检测 装置。喇叭口检测系统作为自调匀整的反馈信号源，用于调节和检测棉条片 段不匀，可以检测自调匀整的匀整效果。质量检测系统一般有检测传感器、 信号处理电路、数据计算处理器和结果显示输出设备等组成。检测传感器一 般安装在棉条的输出部位，用于将棉条的不匀转换成电讯号。信号处理电路 包括放大电路和抗干扰电路，数据计算处理器一般是单片机或计算机，它可 以通过采集的数据计算棉条的各项不匀指标。显示输出器是显示和打印检测 结果的设备，一般显示设备是显示器或显示屏，打印设备是打印机。它们显 示或打印棉条的不匀曲线和各项不匀指标值，显示输出设备经常是被数据处 理器驱动工作的p j 。 1 4 国内外自调匀整质量检测研究状况 国外质量检测系统设计近几年发展很快，意大利u s c 型自调匀整装置是 由v o u k 公司和u s t e r 公司合作生产的开环式短片段自调匀整装置，该装置 在并条机输出端装有检测喇叭头，在线检测匀整结果。信息由反馈传递至微 机，并在荧光屏上以数字及图表方式显示出反映条干质量的数据，如重量偏 差( a ) ，条干c v 值，不同片段( 1 m ，3 m ，1o m ，1o o m ) 重量c v 值。质量检测系统 还能不断校对出条定量和实际条干不匀率，如果超出己设定的报警界限，并 7 o 第一章绪论 条机自动停车，相应的信号灯发出报警信号。显示装置能随时显示多项工艺 质量、产量等统计数据。u s t e r 公司也开发了一些在线质量测试仪器，作为 棉条输出设备的可选安装件上，它们包括( 1 ) u s t e r 条子数据系统( u s t e r s liv e r d a t a ) ，它监测整个前纺工序的生产过程，在并条机、梳棉机、精梳 机上，u s t e rf p 型传感器可以连续的测定条子的支数变异、条干不匀率、波 谱图和粗节。( 2 ) u s t e r 条子监测报警器( u s t e rs liv e r a l a r m ) ，可独立用于 单台机上，如并条机、梳棉机、精梳机等。一旦条子支数或条千不匀率超出 了选定的界限，检测设备立即停止机台的运行。( 3 ) u s t e r 质量监测器( u s t e r q u li t ym o n it o r ) ，它监测并条机、梳棉机、精梳机输出条子的支数与不匀 率它是机器的一部分，检测界限值经机台的操作终端设定输入。 国内纺织研究机构和纺织机械生产企业也在吸收和借鉴国外同类产品 的基础上，开发了几种高速并条机质量检测系统。目前国内的质量检测系统 往往是为自调匀整的辅助部分研究开发的。比如洛阳航空第六研究所开发的 b y z 自调匀整系统是在吸收u s t e r 自调匀整的优点而研制的，该系统将棉条 集束喇叭口改装，并安装了气流检测装置，可以检测棉条重量不匀率，并能 显示屏上显示波谱图和重量不匀率和重量偏差。该自调匀整装置在国产 f a 3 1 9 型并条机上使用。沈阳纺织机械厂开发的f 3 2 6 型并条机配置了具有在 线检测功能的国产b y d 自调匀整装置1 4 巧j 。 1 5d s p 应用系统 数字信号处理( d s p ) 是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新 兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技 术应运而生并得到迅速发展。数字信号处理是围绕数字信号处理理论、实现 和应用等几个方面发展起来的，已广泛应用在遥感、语音处理与识别、人工 智能、核技术等领域。一些模拟系统也逐渐改用数字信号处理系统，以便提 高稳定性和精度，增加新功能。本文的出发点也是基于此。数字信号处理的 实现方法一般有以下几种： 在通用计算机( 如p c ) 上用软件实现； 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现； 用通用的单片机实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处 理，如数字控制； 用通用的可编程d s p 芯片实现； 用专用的d s p 芯片实现。 8 。 第一幸绪论 1 5 1d s p 芯片概述 d s p 芯片，即数字信号处理芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适 合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种 数字信号处理算法，它一般具有如下主要特点： 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 程序和数据空间分开，可同时访问指令和数据； 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； 快速的中断处理和硬件i o 支持； 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 可以并行执行多个操作； 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以并行执行。 1 5 2d s p 芯片的结构 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件 结构。 1 哈佛结构 哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序 存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立 访问。相对应的，该结构分别设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞 吐率提高一倍，而且取指和执行完全重叠。 2 流水线操作 流水线操作与哈佛结构有关。d s p 广泛采用流水线，以减少指令执行的 时间，从而增强处理器的处理能力。处理器可以并行处理2 4 条指令，每条 指令处于流水线的不同阶段。 3 多总线结构 大部分d s p 内部都采用了多总线结构，这样就能保证在一个机器周期内， 可以同时访问数据和程序存储空间，解决了传统芯片的总线冲突问题，使系 统的速度和效率大大提高。 4 专用的硬件乘法器 乘法运算速度越快，d s p 的性能越高。由于具有专用的硬件乘法器，乘 法可在一个机器周期内完成。 5 特殊的d s p 指令 9 。 第一章绪论 为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在d s p 指令系统中，设计了 一些特殊的d s p 指令，以完成某些专门运算。如c 5 4 x 的f i r s 指令，专门用 于f i r 滤波运算。 6 快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令，再加上 集成电路的优化设计，可使d s p 的指令周期在5 0 纳秒( n s ) 以下。 1 5 3d s p 应用系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础的，具有数字处理的全部优 点。 1 接口方便 d s p 应用系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容 的，它与这样的系统接口以实现设计功能比模拟系统与这些系统的接口要简 单许多。 2 编程方便 d s p 应用系统中的可编程d s p 芯片可以使开发人员在开发过程中灵活方 便地对软件进行修改和升级。 3 稳定性好 d s p 应用系统是一个数字化的系统，数字化系统一个最大的特点就是受 环境温度以及噪声的影响小，可靠性高。 4 精度高 d s p 系统的数据位宽一般为16 或3 2 ，可以达到很高的精度。 5 可重复性好 模拟系统的性能受元件参数性能变化的影响比较大，而数字系统基本不 受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 6 集成方便 d s p 系统中数字部件具有高度的规范性，便于大规模集成。 当然，d s p 数字信号处理也存在自身的缺点。如，对于简单任务的信号 处理，若采用d s p 则使成本大大增加，而且d s p 系统中的高速时钟可能带来 高频干扰和电磁泄漏等问题。还有，d s p 系统的功耗比较大。 虽然d s p 应用系统存在着上述这些缺点，但其突出的优点已经使它在通 信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等领域得到越来越 多的应用1 7 - 9 1 。 1 0 第一章绪论 1 5 4d s p 系统的构成 图1 - 4 为一个典型的d s p 系统框图。输入信号首先进行滤波和采样，然 后进行a d 转换，成为数字信号。d s p 的输入是a d 采样后的信号，d s p 对 输入的数字信号进行处理，经处理后的数字样值再经d a 转换为模拟信号， 最后进行平滑处理，驱动功率元件和其他元件。 输入 - 抗混叠滤波-i d - d s p 芯片 功f a _ 平滑滤波 图l - 4 典型d s p 系统框图 1 6 本课题的目的与意义 1 6 1 本课题研究的意义 对于棉纺业来说，纱条的质量是生产无疵点纱线的关键，因为纱上的许 多疵点都来自梳棉机或并条机。纱条对成纱质量有很大的影响，所以生产劣 质棉条的代价是相当大的，在棉条的生产过程中如果没有质量监控进行生产 所冒的风险太大了。而现在纺纱厂要花费相当大的人力去对棉条的定量作常 规测试，常规测试的方法多是萨氏条干法，切段称重法【l0 1 。这些方法不仅费 时，而且不能连续测试，测量结果也不是都很准确，所以目前急需一种高效 的测试装置。 本课题的目的和意义： 1 国内在质量在线检测系统的研究还很不成熟，仅处在仿制和研究阶 段。急需一种结构简单，器件先进，检测精度高的新型质量检测装置。 2 安装在喇叭口质量检测装置可以毫无遗漏的检测到任何生产时刻的 棉条不匀状况，并可以将棉条不匀信息反馈到自调匀整设备，计算改进匀整 量，而且提高了棉条生产率。 3 本文设计自调匀整质量检测系统核心数字信号处理器，d s p 芯片是信 号处理的专业芯片，它在频谱分析算法处理上比其他m c u 芯片( 单片机等) 处 理速度更快更准确，所以本文综合对比后创新选用d s p 芯片，应用d s p 实现 数字信号处理更具有优势，利用d s p 芯片单独进行频谱分析。 。 第一章绪论 4 目前并条机自调匀整装置一般采用工控机来控制，但是在高速生产过 程( 国产并条机运行在3 0 0 m m i n 以上) 中，如果采用基于工控机软件实现频 谱分析，工控机的c p u 处理速度容易达1 0 0 ，这样容易造成工控机失去工作 能力，从而出现并条机自调匀整失去效果的问题。这是因为工控机的处理的 负荷太大，运用基于d s p 进行独立进行大量的信号处理可以减轻工控机运算 负荷，在并条机高速运行时候不再出现类似的问题。 1 6 2 本课题研究的主要内容和结构安排 结合本课题的研究目的和意义，本课题的研究内容如下：分析棉条质量 不匀的指标原理，研究自调匀整中质量检测的工作过程，设计一套新型喇叭 口检测系统，并创新采用d s p 芯片应用于并条机自调匀整检测中，设计质量 检测系统的硬件包括整个基于d s p ( c 5 4 1 6 ) 芯片的硬件外围电路：利用a d 转换器t l v l 5 7 2 将采集的电信号经a d 转换器转换成数字信号，通过d s p 的 多通道缓冲串口采集到d s p 存储器中，利用d s p 进行频谱分析( 主要是快速 傅立叶变换算法) ，转存到d s p 主机可访问的区域，最后通过p c i 总线传输 到上位机( 工控机) 。通过工控机在线运算及时把信息反馈给自调匀整，同 时在屏幕上显示棉条质量不匀曲线和波谱图；针对d s p 设计数字软件部分： 设计执行软件，实现数据采集，并运用快速傅立叶变换算法进行频谱分析等， 以及针对p c i 总线开发驱动程序，把数据传输给上位机进行软件处理。最后 在并条机生产过程中进行实验。 本课题结构安排如下： 第一章绪论，介绍了课题研究的意义、目的和结构安排，同时介绍国 内外关于自调匀整质量检测研究情况和简要介绍关于d s p 系统应用的一些知 识。 第二章介绍并条机质量检测装置工作过程和质量检测原理，分析棉条 质量不匀指标计算和波谱图，并针对波谱图原理对快速傅立叶算法做详细的 计算介绍。 第三章介绍了检测装置硬件核心d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的特点，设计 了基于数字信号处理器的的硬件电路，并对该硬件系统的几个独立的模块设 计分别给予介绍。 第四章针对d s p 软件开发的特点，对v c s 0 0 0 系列d s p 芯片的开发方法 作了介绍，阐述了软件总体设计，分别研究了信号采集设计思想和通过d s p 芯片实现快速傅立叶变换方法。介绍p c i 总线驱动设计特点和选择开发工具 1 2 。 第一章绪论 的方法，以及开发过程中的关键技术。 第五章针对所设计的检测装置进行实验调试，并分析实验结果。 第六章总结全文。 1 3 。 第二章质量检测系统原理 第二章质量检测系统原理 2 1 智能自调匀整系统 并条机自调匀整器主要用来提高出条的速度和质量。开环控制的自调匀整针对性 较强，只要棉条厚度测量准确、检测点到匀整点延时把握得当，牵伸倍数合适，就可 以取得良好的匀整效果 1 0 1 。目前国内外公司大部分采用这种控制方法。本文设计的质 量检测系统是属于开环控制的自调匀整器中。 整个并条机自调匀整系统结构如图2 1 ，各部分作用如下： ( 1 ) 控制一罗拉的主电动机是由一个由变频器驱动的变频电动机，由工 控机来控制变频器从而控制运转速度。 ( 2 ) 拖动二罗拉的伺服电动机由工控机通过一定的控制算法，经过与控 制器的串行通信实现其调速。 ( 3 ) 检测( 凹凸) 罗拉通过一个放大装置，将位移放大，还安装有一个 位移传感器，它与工控机相连。 2 - 1 自调匀整开环控制系统 ( 4 ) 二罗拉与三罗拉通过齿形带相连，完成有着固定牵伸比的预牵伸。 二罗拉由一个伺服电机运动，电机上的控制器通过编码器和一罗拉主轴相 连。通过对控制器参数的设定保持二罗拉与一罗拉的牵伸比始终是一个比例 1 4 第二章质量检测系统原理 关系。 ( 5 ) 输出棉条的喇叭口设有压力传感器，对输出棉条实时检控，为进行 棉条波谱分析和显示在线棉条质量不均提供信息，由d s p 处理这块数据。 ( 6 ) 整个并条机的过程控制、故障诊断控制等在p l c 上实现。 2 2 质量检测系统工作过程 当操作人员按下启动按钮以后，由p l c 通过串行通信向工控机发出相应 启动信号，工控机得到信号后驱动变频器，按照棉条的牵伸要求，主电机开 始运动。同时达到一定速度时检测( 凹凸) 罗拉开始运作，喂入棉条经过凹 凸罗拉，凹凸罗拉位置发生变化，其位移量由杠杆放大后传到位移传感器， 通过位移传感器将检测的棉条厚度变为相应的电压信号。信号a d 转换成数 字信号传入工控机中，经c p u 一定控制运算处理后再经过d a 变换器变换为 相应的控制电压送入伺服系统，改变伺服电机的转速和方向，传动二、三罗 拉及其后部。而第一罗拉及前面部分的转速是固定的，这样在一、二罗拉间 形成了一个变牵伸区。通过改变牵伸倍数，改变喂棉条均匀度。 牵伸后棉条经过喇叭口的时候进行质量检测，不同重量的棉条通过喇叭 口由压力传感器产生信号，模拟信号经过a d 转换器转换成数字信号。数字 信号经过d s p 处理( 频谱分析) 后数据结果传入上位机( 工控机) 进行处理，处 理后的信息反馈给自调匀整控制系统；同时屏幕上显示采集信号波长情况， 工作人员可以通过分析波谱图的周期性变异，一方面根据波谱图的形态确定 棉条不匀疵点的性质和来源，如工艺设计因素、机械因素或属于原料特性所 引起的因素等；另一方面根据发生特殊周期性不匀的波长部位，相应地推算 出发生疵病的机械部位和原因，从而纠正工艺和机械的相应缺陷，以提高产 品的质量。 2 3 棉条质量检测原理 并条机自调匀整质量检测目的是降低输出条子的重量不匀率。棉条不匀 是衡量棉条品质的主要指标之一，就是将棉条分成相等的小片段，但因为各 个片段的重量不相等，由此可以求出片段间的不匀率。c v 表示以变异系数所 表示的内不匀率。棉条不匀的测定通常是取有限长的棉条进行测试。不匀率 一般有随机不匀率、因纤维集结和工艺设备不完善造成不匀率、由牵伸波造 成的不匀率和机械波周期性不匀率构成。棉条不匀的实质上看是表示棉条的 线密度的离散程度，可以用数理统计中各种表示事物离散程度的特征数来表 1 5 第二章质量检测系统原理 示纱线不匀程度。下面就来介绍不匀率的计算指标和信号的波谱分析e l 1 - 1 3 。 2 3 1 不匀率数学计算公式 一般不匀率的计算公式有平均差系数和变异系数( c v ) ( 1 ) 平均差系数表示不匀率 设x 为棉条单位片段实验值 i 而一xl u = 上l 一1 0 0 t 1 = 1 ( 2 ) 变异系数t c y =1 0 0 ( 2 - 1 ) 其中一缶_ 平均差系数较变异系数计算简单，但变异系数统计意义更明显，反映棉 条线密度不匀更准确、更客观。这是因为平均差系数只能反映片段间的不匀 率，而变异系数不仅能反映片段间的不匀也能反映片段内的不匀【1 4 郴】。 某一时刻的不匀率可以绘制不匀曲线图在显示仪上显示出来，它可以直 观反映棉条粗细变化的情况，即棉条单位长度重量变异情况。 软件计算c v 值的原理：设棉条采集扫描片断为，并条机运行速度为1 ， 则采集片段为，的时间为t = 1 v 。则c v 值求解： c y = 了1 0 0 据r ( 巧研西 其中k 为t 时刻的传感器转换的电压值，矿为z 时刻采集电压值的平均 值。 2 3 2 波谱图分析 对于棉条生产过程中出现的不匀率检测中除了c v 值指标还需要借助波 谱图。波谱图主要用途：在棉条质量控制中用于分析条干产生不匀的原因， 研究改进措施。棉条的周期不匀，对织物表面所产生的主观恶化影响，大大 1 6 o 第二章质量检测系统原理 超过了其不匀率数值增高所表达的程度。实践证明，周期性不匀即使差异不 大，也常常导致织物布面恶化。但许多情况下，因为不匀率仅显现数值变化， 却又很难被发现，波谱图对周期性不匀较为敏感。对不匀的波长特征揭示得 较为充分。棉条的不匀常由多个在不同工序中所形成的波长不匀叠加而成。 各个不匀成分的振幅有大有小，相应的故障可能散布在并条机的不同部位及 生产过程中的每一环节中，利用波谱图所显示曲线不匀的结构组成，可以分 析出各不匀成分产生的原因和位置。缩小查找范围，加快找到原因。波谱分 析主要分清两种不匀：机械波周期不匀和牵伸波不匀【l 引。 ( 1 ) 机械波在波谱图上的反映 在各道加工机器上，具有周期性运动的机械零件缺损，会造成纱条周期 性的条干不匀，例如皮辊、罗拉偏心、皮圈损坏、齿轮缺损等，这种周期性 变化称为机械波。机械波在波谱图中表现为“烟囱 柱形状。每个烟囱在一 个或最多三个频道上出现，当宽度达到两个频道时称为多柱机械波。 ( 2 ) 牵伸波在波谱图上的反映 波谱图中具有较正常纱条为高的“山峰”形波谱分布，主要是牵伸区中 浮游纤维引起的牵伸波影响【r 7 1 。牵伸波一般延续三个以上的频道或更多。对 于后道工序来讲，随着加工过程的继续延伸，除本道机械所造成的牵伸波、 机械波外，前道工序的影响也随牵伸倍数的增加而增大，并最终表现在纱条 波谱图上，因此对后道工序来讲，实际波谱图都是由多组周期波叠合的综合 图。图2 - 2 所示，图中各个形如“烟囱 状的振幅a 代表不同波长的机械性 疵病，如“山峰”形振幅；b 代表各道工序的工艺性不匀差异；曲线c 代表 正常细纱的波谱图；曲线d 代表理想纱条波谱图。 1 535i o c m3 0 5 0 l m1 535l o 图2 - 2 实际波谱图 对于由机械性问题，在分析问题出现部位之前要了解机器传动图、罗拉 和胶辊直径、牵伸倍数的工艺情况。比如罗拉、胶辊出现问题形成的周期波 1 7 - 。 第二章质量检测系统原理 波长： 五=万de(2-2) 其中d 代表有问题的罗拉、胶辊直径，e 代表有问题部件至输出件之间 的牵伸倍数。 对于牵伸波的问题，从波谱中找到正常波长谱凸出的一部分山峰高峰处 的波长，称为自然平均波长由丸o = k 三公式计算得到。计算所得到的兄值 应和实际波谱图山峰形的最高点处波长相应。当判断波谱纱条不匀是属于牵 伸波，且波长和计算值相一致，可在紧接输出点前的牵伸区中寻找毛病j 。 波谱图的分析原理就是分析周期波的波长，对于不规则波形要转换成周 期波形用到数学上的傅立叶变换，下面主要介绍d f t 和用叮原理。 2 4 数字信号处理离散傅立叶变换 2 4 1 离散傅立叶变换( o f t ) 离散傅立叶变换是对于有限长序列的下的一种非常重要的数学变化， d f t 之所以重要，是因为其实质是有限长序列傅立叶变换的有限点的离散采 样，从而开辟了频域离散化的道路，使数字信号处理可以在频域采用数字运 算的方法进行，这样就大大增加了数字信号处理的灵活性。更重要的是d f t 有多种快速算法，统称为快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 1 8 - 1 9 】， 即r 使信号的实