（机械电子工程专业论文）基于rtlinux的嵌入式色选机人机界面开发.pdf

摘要 大米色选机是一种利用大米本身的光学特性，将颜色不正常或者表面有缺陷的低 品质大米从所选的大米中剔除并按照米质优劣自动分类的机械。它综合应用了光学、 机械、计算机科学等技术，是典型的光、机、电一体化的高新技术设备。色选机是利 用最新的电子眼进行大米的高速、高质分类识别，在克服了人眼易疲劳，降低劳动强 度的同时极大的提高了大米的市场价值。本论文在分析色选机发展及现状后，集中精 力运用数学方法、嵌入式系统、程序设计完成色选机中人机界面的整体设计开发。 本论文主要包括以下三个方面的主要工作： l 、大米色选机人机界面主要是适应色选机的操作及调试特点，开发出具有针对性 的控制与操作界面。通过对目前国内外色选机的人机界面发展状态、关键技术、及人 性化程度的分析，选择$ 3 c 2 4 4 0 a 为嵌入式系统的核心芯片并嵌入具有实时性的 r t l i n u x 系统。采用模块化设计方法完成嵌入式色选机人机界面各项功能的开发，并 实现色选机界面可视化，实时图形化以及数字化显示等功能，键盘采用触摸屏。 2 、构建了人机界面的总体框架结构，然后从实际操作可行性角度介绍系统的硬件 电路，软件设计，其中硬件电路包括主电路模块、控制模块、数据采集电路、触发电 路及外围电路。接着介绍了系统的l i n u x 系统的软件方面，其中包括交叉编译环境建 立、r t l i n u x 系统的移植、设备驱动程序开发、q t e m b e d d e d 界面建立及应用程序开 发和实现方法等。 3 、采用双因素方差分析的数学方法对色选机系统进行分析，根据色选机的各项参 数的影响大小确定人机界面的功能设定，本系统通过反复测试，在不断提高系统性能 的同时也大大提高了系统稳定性。功能上实现了系统故障的识别，对电磁开关阀的控 制，并能精确监控系统运行状态。 关键字：大米色选机；嵌入式系统；r t l i n u x ；q t e m b e d d e d ；l c d 触摸屏 a b s t r a c t r i c ec o l o rs o r t e ri sam a c h i n et h a tc a nn o to n l ye l i m i n a t er i c ew i t ha b n o r m a lc o l o ro r s u r f a c ed e f e c t s ，b u ta l s oc l a s s i f yr i c ea u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h eq u a l i t y i ti sat i p i c a l o p t i c a l e l e c t r o m e c h a n i c a lh i g h t e c hm a c h i n e ，w h i c hc o m p r i s e so p t i c s ，m e c h a n i c sa n d c o m p u t e rs c i e n c e r i c ec o l o rs o r t e rc a nc l a s s i f ya n di d e n t i f yr i c er a p i d l yw i t l le l e c t r o n i c e y e s ，t h eb i g g e s ta d v a n t a g ei st oo v e r c o m et h ef a t i g a b i l i t yo fe y e sa n dc u td o w nw o r k i n t e n s i t y , s ot h em a r k e tv a l u eo fr i c ec o u l db ee l e v a t e de n o r m o u s l y a f t e ra n a l y z et h e d e v e l o p m e n to fr i c ec o l o rs o r t e r , h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c eo ft h em a c h i n eh a sb e e n d e s i g n e db yu s i n gm a t h e m a t i c a lm e t h o d s ，e m b e d d e ds y s t e m s ，a n dq t e m b e d d e d t h em a i nw o r ki n c l u d e st h r e ep a r t s ： f i r s t l y , t h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ei sa b l et oa d a p tt oo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t so fr i c e c o l o rs o r t e r a c c o r d i n gt ot h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sd e v e l o p m e n t ，c r i t i c a lt e c h n i q u ea n d h u m a n b a s e dl e v e lo fh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，$ 3 c 2 4 4 0 ah a sb e e ns e l e c t e dt ob eu s e d a st h ec p uo ft h i sm a c h i n e ，a n dt h er e a l - t i m el i n u xc a l lb et h et h eb e s tc h o i c ef o rt h e s y s t e m m u l t i - f u n c t i o n so fh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c eh a v eb e e nd e s i g n e db yu s i n gm o d u l a r d e s i g nm e t h o d ，s u c ha sv i s u a l i z a t i o n ，d i g i t a l i z a t i o na n ds oo n ，a n du s e dl c d t ob et h e i n d u s t r i a lt o u c h s c r e e n s e c o n d l y , s i n c et h ef r a m es t r u c t u r eh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，t h eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t a n ds o f t w a r ed e s i g nh a v eb e e ni n t r o d u c e df r o mp r a c t i c a la s p e c t h a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t m a i n l yi n c l u d e se l e c t r i cc i r c u i tm o d u l e ，c o n t r o lm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o ne l e c t r i cc i r c u i t ， t r i g g e r c i r c u i ta n d p e r i p h e r a l c i r c u i t s o f t w a r eo fl i n u xs y s t e m m a i n l yi n c l u d e s e s t a b l i s h m e n to fc r o s sc o m p i l ec i r c u m s t a n c e s ，t r a n s p l a n to fr t l i n u xs y s t e m ，d e v e l o p m e n t o fd r i v e r , e s t a b l i s h m e n to fq t e m b e d d e di n t e r f a c ea n ds oo n t h i r d l y , t h es y s t e mo fr i c ec o l o rs o r t e rh a sb e e na n a l y z e db yu s i n gt w o - w a ya n a l y s i s o fv a r i a n c e a c c o r d i n gt oi n f l u e n c e so fe a c hp a r a m e t e r , f u n c t i o n so fi n t e r f a c eh a v eb e e n s e t t l e d t h ep e r f o r m a n c ea n ds t a b l i t yo fs y s t e mh a v eb e e ne l e v a t e de n o r m o u s l ya f t e rb e i n g t e s t e da g a i na n da g a i n a tl a s t ，t h ef u c t i o n si n c l u d ed i s c e r n i n gs y s t e mt r o u b l e ，c o n t r o l l i n g s o l e n o i ds w i t c ha n dm o n i t o r i n gs y s t e mr u n n i n gp r e c i s e l y k e yw o r d s ：r i c ec o l o rs o r t e r , e m b e d d e ds y s t e m s ，r e a l - t i m el i n u x ，q t e m b e d d e d ，l c d t o u c h s c r e e n 天津科技大学硕士学位论文 1 前言 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于天津光学精密机械研究所。该项目立项2 年内产品进展快速，目前 产品开发已经进入尾声，不久将面向市场，大米色选机同时为天津市自主开发重要项 目之一。 1 1 2 课题研究背景及意义 目前中国是一个发展中国家更是一个农业大国，但国内粮食的加工，良种的培育 以及产品的深加工技术依旧薄弱，农业与高科技技术的结合一直是中国农业的发展方 向。自上个世纪8 0 代起，中国的粮食加工重点企业开始引进一批国外大米色选机， 从此逐渐改变了中国农业的发展模式。大米色选机不仅能够按照大米品质实现产品的 分类，更增加了粮食的市场附加值，因此大米色选机发展可以从侧面反映出一个国家 或者地区的农业深加工水平【l 吲。 表1 1 中国主要农作物产量统计( 单位：千吨) t a b l e1 - 1o u t p u to fp r i m a r yc r o p si nc h i n a 玉米 小麦 稻谷 大豆 油菜籽 玉米 小麦 稻谷 2 6 ，3 5 8 2 2 ，7 9 3 2 8 ，8 4 7 9 ，5 9 1 7 ，2 7 8 1 3 9 ，3 6 5 9 7 ，4 4 5 1 8 0 ，5 8 8 2 8 ，4 6 3 2 3 ，6 1 3 2 8 ，9 3 8 9 ，3 0 4 5 , 9 8 4 1 5 l ，6 0 3 1 0 8 ，4 6 6 1 8 1 ，7 1 8 2 9 ，4 7 8 2 3 。7 2 l 2 8 。9 1 9 8 , 7 5 4 5 , 6 4 2 1 5 2 ，3 0 0 1 0 9 ，2 9 8 1 8 6 ，0 3 4 2 8 ，8 0 0 2 3 ，9 0 0 2 9 ，4 0 0 9 ，6 5 0 6 ，4 0 0 1 6 5 ，5 0 0 1 1 2 ，5 0 0 1 9 3 ，0 0 0 随着国外大米色选机进入中国，中国农业科技水平逐步提高，进入2 l 世纪，自 主创新能力的意义得到了充分体现，赢得市场要靠技术的创新。现在我国色选机的研 究正处在初级阶段，自主创新水平并不高，本课题开发的人机界面是顺应了色选机的 发展趋势，使人机界面成为智能化和人性化的系统，新型人机界面的研究对提高我国 色选机的自主研发整体水平具有一定的作用。 将嵌入式技术与工业控制技术相结合，采用模块化的设计方法使人机界面成为具 有先进技术、先进理念的嵌入式产品。系统以s a m s u n g 公司的s 3 c 2 4 4 0 a 为核心控制 如 6 6 m 钙 7 3 4 托 一石 n 生石9 j z 0 l l l 8 2 3 1 前言 器，开发出了基于r t l i n u x 系统的嵌入式人机操作界面系统，使之成为具有高智能化、 高集成化、高可靠性以及便于扩展的人机界面。对色选机人机界面的深入研究和改进 能够使色选机整体的价值得到提升，并且完善的功能和扩展性对色选机的发展和进步 同样具有重要的意义。 1 2 课题研究现状及发展动态 1 2 1 国内外研究现状 色选机是集光、机、电、气等高科技成果于一体的粮食快速分拣设备，主要用于 大米、花生、瓜子、芝麻等粮食的黄变、霉变、杂质等异色粒的分选，是保证食品安 全及品质的重要设备。 日本安西公司制作所是最早研发和生产销售色选机的专业制造商，公司于1 9 6 6 年6 月成立后，开始研究和开发光电色选机技术，并于2 0 世纪6 0 年代末开发出定型 产品电子色选机。1 9 8 9 年位于美国旧金山的安西分公司开发出微型计算机色选 机。后来陆续开发出搭载高速p h o t o s e n s o r 传感器的色选机r d m ，如：用于选择低粘 度小麦的专用分选机a u ；用于彩色异物分选的u c ：进而研发出搭载高速c c d 的大 型色选机d c 。 作为一个需要为全世界1 5 人口提供优质、安全食品的农业大国，粮食加工行业 在我国的农业产业化进程中占据着至关重要的地位，而作为粮机生产的国产化及不断 的自主创新发展则正是当代中国粮食加工行业向前发展的物质基础。粮机的发展可以 从一个侧面反映出我国粮机行业自主创新的产业化进程。 色选机虽然诞生在国外，但经过民族企业的不断探索、创新，该行业已经成为我 国一个渐趋成熟的产业。我国自主研发的“安科 牌多功能色选机已经广泛应用于各种 谷物中异物、杂物及早熟谷物的色选，而且已经做到在色选过程中不会使米粒产生破 碎，已经实现了高科技附加值产品的国产化。而且采用了在世界上具有划时代性的独创 色选技术，色选技术处于世界领先，是具有国际性产品品质的色选机。自主创新打破 了国外垄断，并创造了多项世界领先p 叫： 1 下落米道采用无滑槽设计：研制出世界第一个无滑槽色选机，并用于解决大米 色选过程中产生增碎的问题。 2 p c i 扫描：首次在色选机中采用p c i 线扫描技术，并利用p c i 的高感度p h o t o s e n e o r 投射在谷物上，并同时前后以2 0 0 ，0 0 0 单位的速度进行双向采样、辨认选择， 这套系统是目前世界最先进的色选识别方法，很适合精良大米的生产领域。 3 可变通道：采用可变式通道，由于采用了可变通道技术因此可自由变换一次选 择和二次选择。同时也增加了色选机的灵活性，例如可以将多台色选机并行或者串行 使用。 4 光源选择：特殊光源透视技术可以根据谷物的类别分别进行光源透视或者反射 识别，并能够适合国内谷物的实际情况，最有效地发挥其性能。 2 天津科技大学硕：仁学位论文 5 体积越来越小：采用了其它一般色选技术所无法比拟的创新性色选技术研制而 成，极大减小了外形尺寸，它的体积只有国外3 0 通道产品的l 2 ，因此在工业部置和 安装施工上极其简便，同时又因为谷物是顺着轨迹流下来，因此没有相互撞击的现象 出现。 图l 一2 安科s s - b 2 4 0 k c g 泛用途c c d 色选机 f i g 1 2a n - k e s s b 2 4 0 k g gc c da l l - p u r p o s ec o l o rs o r t i n gm a c h i n e 色选机的发展主要集中在光学传感器和数据处理方式，目前高端色选机大量采用 高精度2 0 4 8 像素高速线扫描型c c d 图像传感器，运用专业图像采集处理系统，对图 像的信息和图形特征进行高速计算处理。先进的色选机识别系统能够识别o 0 8m 2 范围 内的异色斑点，并能够对浅水黄、微小病斑、针点黑头进行信号叠加放大处理，然后 根据物料精度要求设定查验物料是否合格。结构方面也从原来的通道式设计过渡到了 先进的瀑布式设计，结构的设计上更加紧凑和美观。加工速度达到1 5 吨小时以上， 色选精度提高至9 9 9 9 ，色选的功能也更加完善。 在通过国内外色选机分析后，我国色选机还普遍存在以下缺点： 1 普遍采用2x2 0 4 8 个高灵敏度c c d ( 彩色c c d ) 感应器进行双面采样，但稳定性 有待加强； 2 普遍采用国内生产的电磁阀，使用过程中喷射枪的每秒开关次数达不到国外先 进的水平； 3 在谷物高速下落分辨细微的异物时，分辨率还达不到很高的水平； 4 色选机的人机界面功能较单一、人性化程度不足等； 由以上对比可以看出色选机在中国有着很好的市场前景，不但带动了粮食的二次 加工市场，而且带动了粮机行业的快速崛起。我国色选机起步于8 0 年代，发展于9 0 年代初期，起步较晚底子较薄，因此需要更多的学习外国先进技术来完善自己的不足。 相信通过更多的国内外交流与合作，我国色选机一定能够成为粮食深加工必备高技术 产品，这是经济发展的必然结果，也是消费观念改变的必然结果，更是中国粮食深加 i 前言 工技术更新和粮食产业不断发展的必然结果【5 卅。 1 2 2 发展动态 色选机的发展经历了由单面色选到双面同选的过程，电眼传感器也由以前的 c m o s 传感器发展到单色c c d 再到彩色c c d 的转变，信号处理技术也由模拟信号发 展到模拟信号和数字信号叠加处理的历程。经历了技术的革新，色选机技术日臻成熟， 在未来的几年里，色选机主要向着三个方向发展：一是具有大产量的色选机，这类色 选机性价比较突出；二是向杂粮、脱水蔬菜、化工、矿石等领域扩展；三是外围设备 的发展也朝着模块化配置发展，随着市场对色选机要求的提高，人机界面的功能和人 性化程度也会更加完善。 1 3 研究目的和主要研究内容 1 3 1 研究目的和内容 我国经济不断成长的同时人民生活水平也日益提高，民众对食品的卫生及品质的 要求也随之提高，国家也适时的开始推广食品q s 质量认证体系，这些都进一步促进 了我国色选机行业的繁荣和进步。 随着色选机功能的日益完善，传统人机界面由于内容固化已经不能适应色选机产 品的需要，色选机对人机界面的要求也向着美观、功能完善、稳定可靠的方向发展。 在设计人机界面时候不仅要考虑硬件稳定性要求，而且软件也必须具备一定的兼容性 和可移植性，目标是要做到功能稳定、性价比突出的人机界面产品。 本文主要目标是设计开发一款基于嵌入式的色选机人机界面，选用s a m s u n g 公司 的的a r m 9 系列嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 做为主处理器，并利用实时操作系统 r t l i n u x 的实时性优势来完成色选机的运行与人机交流功能，尽最大可能设计出外观 漂亮、界面操作方便、通讯稳定、并且能够支持在线监测与智能控制的人机平台。应 用范围应具有较大的扩展空间，并且能够扩展各种主流工业总线，如：d e v i c en e t 、 c a no p e n 等协议，在驱动开发上尽量集成更多厂家的驱动协议，这样就可以使色选机 人机界面方便地移植到更多设备上去，因此能大大提高产品的开发效率。 1 3 2 研究内容结构 本论文主要组成结构如下所示： 第一章：主要介绍本课题的背景、选题意义、课题现状、以及发展前景，确定研 究目标与解决的主要问题，最后介绍论文的结构与内容。 第二章：首先介绍色选机的基本原理，对其中的电源，控制器，色选模式等进行 介绍。然后着重介绍人机界面的功能、方案、结构的实现方法以及软件和硬件的选择 依据。 第三章：系统硬件的设计。介绍了基于$ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器的嵌入式系统硬件的 设计思路和方式，阐述系统的硬件总体设计方法以及各个模块的方案与实现方法，最 后分析电路抗电磁干扰能力和可行性讨论。 4 天津科技大学硕士学位论文 第四章：系统软件设计。介绍嵌入式系统r t l i n u x 系统的移植，包括b o o t l o a d e r 、 内核和文件系统的移植过程，接下来对系统驱动开发、应用程序和q t e m b e d d e d 的 设计进行阐述。 第五章：利用双因素方差的检验方法对色选机的影响因素进行统计分析，获得对 色选结果影响较大的因素进行讨论，最后确定在色选机环境中进行重复实验，对实验 结果进行分析并对色选机进行整体评估。 第六、七章：最终完成测试报告及全文工作总结及展望。 2 色选机人机界面分析与论证 2 色选机人机界面分析与论证 2 1 前言 色选机人机界面系统主要由a r m 芯片、彩色l c d 、触摸屏、通讯模块等组成。 色选机人机界面主要功能包括控制色选机的启动、暂停、停止功能，设置色选机的参 数变量功能，对可能出现的意外做出判断反应的功能，重要信息的显示功能等。大米 色选需要对多项参数进行合理设置才能使及其达到到最佳状态，完整、合理的设计界 面可以使用户方便的针对不同种类、不同特性的大米进行色选机的配置。色选机的参 数设计不合理会极大地影响色选信号的传输与处理。因此对色选机的整体把握和对人 机界面的详细、合理规划是一个极为重要的设计过程。 色选机的工作环境一般较差，因此人机界面系统需要具有很好的实时性、高抗干 扰性、抗高“氐温特性。本文所要设计的基于$ 3 c 2 4 4 0 a 和r t l i n u x 系统的人机界面全 部采用工业级的设计方案，个别元器件采用了高于工业级的产品，电路设计上更多的 参考了国内外先进的设计理念和方法，为传感器的数据采集和后期处理奠定了坚实基 础。 2 2 色选机总体构成 2 2 1 系统框架 如图2 1 所示，色选机主要由四部分构成：供料系统、光学检测系统、分选系统 和电气控制系统。被选的大米原料由振动料斗送到各个通道中自由下落，然后依次进 入光学检测部分，经过信号处理，正常的米粒会直接掉落到成品米袋中，而存在缺陷 或颜色异常的大米会被喷气阀吹出。为了能够将异常的大米吹出，必须计算信号处理 时间t l 和系统延迟时间t 2 ，因为大米是自由落体运动，因此可以使用自由落体公式 进行电眼和喷气阀的相对位置计算。 图2 1 系统结构框图 f i g 2 - 1s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 6 天津科技大学硕士学位论文 2 2 2 系统结构分析 为了更好地理解系统结构，如图2 2 所示，可以将系统分为n e t l 、n e t 2 、n e t 3 三层。其中n e t l 为系统核心层具有检测、控制、显示、存储重要信息等功能，n e t 2 层为用户现场的i o 层，主要控制信号的输入输出并执行工业现场的动作运行，n e t 3 层为人机界面层，主要负责人机信息的交换并及时的显示出系统运行状态的信息。 ? 。1 t o p 主分类 图2 - 2 系统层次结构图 f i g 2 - 2s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 当结构确定后，建立相应的模型进行仿真。仿真中模型将系统运行进程分为实时 进程和非实时进程，每一进程都表示一类控制环节。根据系统结构建立如图2 3 所示 的模型，模型是基于实时的r t l i n u x 系统为软件环境，其中实时进程包括a d 转换、 i o 操作等。a d 转换模块实现了光源的检测、气阀的检测、电压的检测等，这些检 测都是为了确保系统处于良好的运行环境，i o 模块包括控制反光板的转动、气压的 开关控制、震动料斗的开关控制等。除了大量的实时检测与控制外系统还包括很多非 实时型的进程，比如触摸屏的显示、数据的存储等。 图2 3 仿真结构示意图 f i g 2 - 3s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 7 2 色选机人机界面分析与论证 2 2 3 光学模块设计 光学系统是色选机的核心检测部分，如图2 4 所示，该系统由入射光源和电子眼 镜头组成。荧光灯管的亮度不稳定且寿命较短，因此采用l e d 光源作为入射光源，l e d 光源工作电压仅为2v ，qv ，亮度可以达到1 , 2 0 0m e x l 4 , 0 0 0m c d ，工作的温 度范围为一4 0 c - 8 0 c 。在相同的工作条件下，l e d 光源与荧光灯管相比可以节省5 0 的电量，寿命也是普通荧光灯管的1 0 倍以上，因此是产品光源的首选【7 8 】。 多匕源 镜头 镜头 多匕源 f i g 2 - 4o p t i c a ls y s t e ms t r u c t u n 色选机光学系统的设计是基于大米的光学特性，大米对不同的入射波长的反射率 是不同的。因此首先需要计算大米对不同入射波长的反射率，然后根据反射率的特性 曲线确定光源的类型。 假定某种正常大米的反射波长在5 0 0 6 0 0n n l 范围内，而杂色或异色大米的反射 波长大于6 0 0n l n ，这样就可以用相应的滤光片滤掉反射波长较小的光谱，对反射率较 大的光谱进行检测分析，如果检测到反射率较大的波长存在则说明存在杂色或异色大 米，并将其剔除。 假设：优质米为a ，杂色或异色米为b 。 米a 的平均反射率为： 已( 一如) 式( 2 - 1 ) 唰：霉罂；( 2 - 2 ) 幺( 以t 一无：) 2 彳薪； 米b 的平均反射率为： 岛( 一五) 8 式( 2 3 ) 天津科技大学硕士学位论文 p 2 厶( a ) d 允 ( 如- 一砧z ) 2 彳齐； 米a 与米b 的反射率差e 为： 坟= e a 一毋= ie b ( 九。一九：) 一只( 九。一九：) i 假设分辨系数为，当 坟 ， 两种米是可以分辨的，坟越大则色选分辨率越高，色选精度也更高。 5 0 s4 0 o 、 斟3 0 杂 1 呕2 0 1 0 式( 2 4 ) 式( 2 5 ) 式( 2 - 6 ) 2 0 0 4 0 06 0 08 0 0l0 0 0 波长( m ) 图2 5 波长反射率示意图图中立体住意义? f i g 2 - 5g r a p ho fw a v e l e n g t h r o m a x 由图2 5 可知，波长在5 0 0 6 0 0 ( 哪) 之间时e 值较高，因此光源选择波长在 4 7 0 5 0 5 ( m n ) 之间的蓝色l e d 光源较为合适。 2 2 4 硅光电池传感器 硅光电池是一种可以直接把光能转换成电能的半导体元器件，如图2 - 6 所示，他 的结构很简单，是一块透明玻璃外壳的点接触型二极管和一块微安表结合而成的。硅 光电池具有性能优良、工作稳定、体积小、速度较快等优点，由于其具有伏安特性， 因此被广泛应用在光电色选机设备上。 硅光电池的主要特点是具有伏安特性，当一定波长的光入射时内部电子吸收光子 后产生电子空穴对，当电池开路时光生载流子分别聚集在n ，p 区，并同时产生了正 极p 区及负极n 区，此时的硅光电池的电压为n ，p 的电动势，即为光生伏特电压。 因为有了伏安特性，所以在有光照的情况下可以通过测量电压测量出光强的大小。因 为硅光电池的伏安特性及周边设计较简单，为了较快的构建色选机测试条件，因此后 期的试验结构是基于硅光电池设计而成的。 9 2 色选机人机界面分析与论证 图2 - 6 硅光电池 f i g 2 - 6s i l i c o np h o t o - c e l l s 2 2 5 基于c c d 的光学传感器 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是一种电荷耦合器件，按照物理特点可分为线 阵c c d 和面阵c c d ，按照颜色感应可分为黑白c c d 和彩色c c d 。其中线阵c c d 具有结构简单，成本较低，同时储存一行感光信号，其单排感光单元的数目可以 做得很多，其测量范围也可以比较大，缺点是不能获取信息量较少，不能处理复 杂的图像。面阵c c d 的结构复杂，由多列线阵c c d 排列成方阵，优点是获取信 息量较大，能处理复杂的图像，缺点是后期处理比较复杂。在传输光电转换信号 时要求具有以下特点：自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在 低照度下工作，因此线阵c c d 适合作为新一代色选机的电眼传感器。在新的色 选机产品中大量应用了彩色线阵c c d 的高技术传感器，相比前一代基于黑自线 阵c c d 的产品，基于彩色c c d 的色选机功能得到了很大的扩展，在选择颜色差 异敏感的物料时具有显著的优势。 t c d l 2 0 9 d 是具有2 0 4 8 个感光单元的c c d 传感器，具有高速、低暗电流等特 点。系统采用5 v 、1 2 v 双路供电，在5 v 电压下可进行双相输出，可进行8 行m m ( 2 0 0 d p i ) 的扫描。在色选机中将2 0 4 8 个感光单元对应3 2 路米槽，则每路米槽对应 6 4 个感光单元。如图2 7 所示，t c d l 2 0 9 d 被封装成长方形，外面接出1 1x2 根 引脚，包括电源、低、复位、信号和时钟等功能。 l o 天津科技大学硕士学位论文 图2 7t c d l 2 0 9 d 模块 f i g 2 - 7t c d l 2 0 9 dc c dm o d 2 2 6 信号处理模块 如图2 8 所示，数据处理模块包括单片机控制模块、基于c p l d 的信号处理、a d 转换、模拟信号放大、i o 、通信等。 图2 8 信号处理电路 f i g 2 - 8e l e c t r i cc i r c u i to fd s p 信号处理模块是色选机中重要的组成部分，色选机工作时1 2 8 通道的信号处理顺 序是：首先进入转换精度为1 2 位的a d 芯片，a d 转换结果传输到c p l d 处理芯片 中，并使其进入对应1 2 8 通道的信号寄存器，1 2 8 通道寄存器内容变化将触发c p l d 的信号比较电路，将寄存器数值与人为设定的阈值进行比较，比较结果一旦达到条件 则触发电磁阀( z c ) 的驱动电路，并将大米喷出。比较结果同时也将作为控制电路的 2 色选机人机界面分析与论证 采样样本参数，当样本参数达到色选机的调整条件，人机界面则做出相应的显示并提 醒，若提前设定为自动模式则色选机可根据参数进行自调整。通过人机界面的人为调 整或自调整后机器则可以进入色选的最佳状态。 色选机需要运行在较恶劣的环境，为了实现长期、稳定、高速的运行要求，信号 处理芯片选用了具有高速晶振频率和并行处理能力的a l t e r a 公司的a c e xe p l k 芯 片。a l t e r a 公司的a c e xe p l k 是信号处理专用c p l d 芯片，管脚数达到了2 0 8 个， 频率最高可达到为2 5 0m h z ，并且e p l k 具有1 0 0 ，0 0 0 逻辑门电路和高达4 9 ，1 5 2 k 的r a m ，这样大大降低了信号处理电路的开发难度 9 1 。 转换电路采用带浮点放大器的两级并行a d 转换方案，这样的设计可以使系统在 小信号输入时采用较高的放大倍数并且增加a d 转换的有效位数，在大信号时采用较 低的倍数可以保证信号的主要部分，既保证了数据采集系统的动态测量范围，同时又 兼顾到系统的采集精度和速度。 2 3 系统功能分析 设计人机界面过程中首先要弄清系统的功能要求及性能指标，进而对系统功能及 设计的方案和工艺进行论证分析，最后根据论证结果确定硬件及软件的设计方案。 2 3 1 人机界面功能 为了使产品具有更高的市场价值，不仅要对产品进行准确定位，更要对软硬件做 合理设计，因此色选机人机界面应具有以下特性【1 0 1 2 l ： ( 1 ) 硬件功能：人机界面硬件电路需要具有强大的处理能力和稳定性，功能上要 在满足控制运算的前提下，预留出足够的端口和片上资源，为在需要的时候进行相应 的功能扩展奠定基础。 ( 2 ) 友好的g u i 界面：在满足功能的前提下，g u i 的界面设计要体现人性化，使 色选机的人机界面实现美观、大方、实用等特点。 ( 3 ) 实时监测：在机器的运行状态下，仅靠操作人员的经验不能及时观察出性能 指标和潜在问题。为了能够及时地进行性能改进和故障判断，在色选机人机界面中设 计实时在线监测功能是必不可少的。 ( 4 ) 触摸屏：触摸屏以其方便的特点正在逐渐成为自动化与控制系统的通用配件， 触摸屏的设计力求迅速，且在触摸操作过程中坐标反馈要准确，并实现部分动画效果， 使用户操作起来得心应手。 ( 5 ) 扩展性：人机界面应具有良好的扩展性，满足产品移植的要求，以便实现日 后的产品升级及同类设备的快速应用。 ( 6 ) 电磁兼容性：高速电路应该具备良好的电磁兼容性，色选机大部分时间是在 大型米厂工作运行的，色选机设备的周围空间存在着大且复杂的电磁干扰源，因此整 个产品的设计要符合e m c 、e m i 的设计要求，以便在苛刻的环境下色选机能够稳定 运行。 1 2 天津科技大学硕士学位论文 ( 7 ) 温度指标：米厂的厂房较空旷且保温较差，厂内的温度变化较大，有时很热 有时很冷，因此在选择元器件、l c d 屏幕、芯片、线缆等部件时要充分考虑温度、湿 度等硬性指标，尽量选用工业级别乃至军用级别的元器件。 2 3 2 人机界面实时性 几乎所有的电子系统都有一个客观的响应时间疋，这就是电子系统普遍存在的 实时性问题，即要求t 乏。从实时性角度考虑，大米色选机人机界面系统必须满足 实时性的要求，即实际处理时间t 与实时处理时间瓦的关系为t 。在色选机运 行期间，系统运行的正确性不仅取决于处理的结果，而且依赖于处理的时间周期t 。 对于色选机人机界面的嵌入式系统要求软件上必须具有事件的实时处理能力，同时还 要具有有效的终端处理异步事件能力，因此对我们的外部i o 和内部软件设计都要充 分考虑实时性。 2 3 3 系统方案 工业系统的控制方法可以有多种方案供选择，要在系统的性能、成本等方面进行 论证后选择数套适合本人机界面系统的配置方案，之后从被选的方案中选择最优方案 进行进一步的结构设计。 方案一：采用5 l 系列单片机+ 工业触摸屏，此方案优势在于技术比较成熟，应用 广泛而且可用资源较多，近几年5 l 系列单片机发展非常迅速，正朝着c m o s 低功耗 化、单片微型化、品种和性能日趋完善的方向发展。 目前5 l 系列单片机都是将中央处理器( c p u ) 、随机存取数据存储( r a m ) 、只读程 序存储器( r o m ) 、中断系统、定时电路、时钟电路、并行和串行通信接口集成在一块 封装的芯片中，还有增强型的单片机更是集成了a d 转换器、p m w 、w d t 、l c d 驱 动，这些电路也都集成在一块封装的芯片上，这样单片机就能包含更多的功能单元， 功能更加强大。有些厂商还可以根据用户的要求量身定做单片机产品，这样市场中的 公司就能在短时间制造出具有自己特色的单片机芯片，不仅缩短了产品周期也提高了 产品的内在价值。 方案二：p l c 模块+ 工业触摸屏。此方案优势在于具有高可靠性、丰富的i o 接 口模块，p l c 可以针对不同的工业现场很快地组合出不同的模块配置。并且p l c 采 用模块化结构，具有编程语言简单易学，安装简单等特点。市场中p l c 品牌主要由三 菱、西门子、富士、松下、欧姆龙等，其中西门子的$ 2 0 0 、s 3 0 0 系列具有很高的市 场占有率。目前与p l c 兼容的工业触摸屏种类非常多，而且有强大的技术支持，大部 控制系统都能用基于p l c 进行开发。 目前p l c 功能已经非常强大，几乎所有的p l c 的i o 接口电路均采用光电隔离， 使工业现场的外电路与p l c 内部电路之间实现电气隔离：各输入端子采用r c 滤波 器，其滤波时间常数一般为1 0 2 0 m s ；具有良好的自诊断功能，一旦电源或其他软硬 件发生异常情况p l c 能够立即采取有效措施进行处理以防止故障扩大。追求稳定性的 1 3 2 色选机人机界面分析与论证 p l c 与工业触摸屏结合起来是具有很高的安全系数，非常适用于大型的工业项目。 方案三：a r m 系列+ l c d 触摸屏，此方案来源于成熟的a r m 产品发展。a r m 是一种功耗很低但是速度很快的高性价比处理器，具有价格低廉、使用方便、结构安 全和高效、使用稳定等特点。作为广泛应用的3 2 位处理器，a r m 应用日趋广泛，产 品系列也日趋完善。新一代的a r m 9 处理器，通过全新的设计，采用了更多的晶体管， 能够达到a r m 7 处理器两倍以上于处理能力。具有独立的指令和数据存储器接口，允 许处理器同时进行取指和读写数据。5 级流水线引入了独立的存储器和写回流水线， 分别用来访问存储器和将结果写回寄存器。由于最新的a r m 处理器g p p 速度可达 2 0 0 m h z ， 并且利用内置m m u 支持w i nc e 、p o c k e tp cp h o n e e d i t i o n 、s v m b i a no s 与s e r i e s6 0 、p a l mo s 以及l i n u x 等多种主流的嵌入式操作系统。基于以上优点，利 用a r m 丰富的i o 资源、简单的外围电路可以很快的实现智能系统的开发。 表2 - 9 多种人机界面( 人机界面) 方案比较 t a b l e2 - 9c o m p a r eo f v a r i o u s 人机界面 由表2 - 9 所示，方案一中5 l 单片机+ 工业触摸屏的速度、功能等限制控制方法比 较单一，且工业触摸屏产品比较固化，灵活性也比较差，因此比较适合应用在较简单 的工业控制上。 方案二中的p l c 模块+ 工业触摸屏由于成本、扩展性等限制，比较适合应用于大 型的功能稳定的设备上。 综上所述，从系统需求及方案、控制精度、整体成本及技术可行性方案和系统扩 展性等方面综合考虑，选用a r m 系列微处理器作为系统的核心控制器，配合触摸l c d 屏幕能够达到系统的最优配置。在通过对当前市场的产品线进行研究后，选用了 s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 作为核心处理器。s 3 c 2 4 4 0 a 具有高速、稳定等优点，并 且具有丰富的外围接口。基于这套方案，可以较快地实现具有高性价比、稳定的嵌入 式人机界面1 1 3 - 1 5 1 。 2 3 4 嵌入式系统选择 嵌入式系统是一个包含微处理器的特殊计算机系统，根据i e e e ( 国际电机工程 师协会) 的定义，嵌入式系统是控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的系统。 1 4 天津科技大学硕士学位论文 从官方定义中可以看出，嵌入式系统是把软件和硬件综合起来的系统，并且涵盖了机 械、传动等附属装置。嵌入式系统更是一个较大系统或设备的重要组成部分，同时在 很大程度上扩展了设备的功能特性和应用领域。近年来，随着微电子技术的快速发展， 处理器的速度也有了质的飞跃，随之而来的是嵌入式系统应用的范围迅速扩大。比如 许多具备数字网络接口的设备一自动售货机、水电表、大型的楼宇控制、掌上p d a 、 家庭自动化控制、微波设备、录像机( v c r ) 和高级汽车的控制系统等都会用到嵌入式 系统。 嵌入式系统有些需要使用操作系统为媒介，有些则可以用单个程序实现完整逻辑 运算的控制，但几乎所有的嵌入式系统所提供的功能都要比通用计算系统功能更加有 针对性和实用性。嵌入式系统的设计目标是使嵌入式系统的独特性能与设备的特殊约 束条件相匹配，最大程度地发挥其优势。在未来几年嵌入式软件开发的市场将达到 5 2 5 2 亿美元，应用领域几乎包括消费类电子产品、控制系统和工业自动化、机器人 领域、数据无线通信领域。 在嵌入式实时系统( i 盯o s ) 中，除了完成必须的任务外还必须满足项目的一系 列实时性的要求。一般来讲，性能是一个系统或组件对响应时间瓦要求满足程度的 一种评定，这里的响应时间7 = ，也可以用系统的响应时间和吞吐量指标来衡量，这里 时间已是系统响应某种要求所需的最短时间，而吞吐量则是指系统在特定时间t 内能够处理的最大的系统请求的数量。可扩展性是嵌入式实时系统的另外一个重要指 标，可以用来衡量系统要求、功能提高时，系统能够继续满足响应时间或吞吐量要求 的能力。 开发嵌入式实时系统是一个相当复杂的过程，也是一个长期编程完善编程再完 善的过程，在分析初始要全面地考虑硬件与软件的结合与扩展，在设计过程中要时刻 完善系统的灵活性、速度、成本之间的关系，并充分考虑各个元器件供应商能够提供 长期可靠支持的概率。 综上所述，我们选用的嵌入式系统应具有以下几点特征： ( 1 ) 系统内核小：由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的且功能较有 针对性，系统资源也相对有限，因此内核较之传统的操作系统要小得多。 ( 2 ) 专用性强：嵌入式系统具有很强的个性化，其中的软件系统和硬件的结 合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产 品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往 往需要对系统进行较大更改，程序的