（通信与信息系统专业论文）光电分选机控制系统的设计与实现.pdf

人连理j 二人学硕士研究生学位论文 摘要 光电分选机是应用于颗粒状物料品质检测与分级领域中的一种有效设备，它的应用 可以提高物料的品质，增加其附加值，带来很好的经济及社会效益，所以对光电分选机 的研究有着重要的现实意义。 本文主要对光电分选机的控制系统进行设计与实现。经过对系统结构的分析，设计 并实现了系统的主控制系统和电磁振动给料控制系统。主控制系统对整机各子系统进行 控制和管理并对外围功能进行控制，电磁振动给料控制系统负责系统物料流量的调节。 主控制系统采用了p i c l 6 f 8 7 7 单片机作为控制器，以一片c p l dx c 9 5 2 1 6 实现了 逻辑电路的扩展；采用非易失性静态存储器d s l 2 3 0 设计了外部扩展存储电路：设计了 p i c l 6 f 8 7 7 与触摸屏及各子系统间的通信电路，实现了p i c l 6 f 8 7 7 与触摸屏问基于 m o d b u s 协议的r s - 2 3 2 异步串行通信连接，以及与各子系统问基于自定义协议的三线制 同步串行通信连接；设计了对系统各路电源电压进行监测的电路；采用d s l 6 2 0 数字温 度传感器对系统工作环境温度进行监测；设计了系统的开关信号电路。 电磁振动给料控制系统采用了电磁振动的方式。经过对电磁振动给料控制理论的分 析，建立了给料器的调节参数与供电参数的关系，并据此设计了基于a t 8 9 c 5 l 单片机 的控制系统，主要是交流电过零检测电路、四路可控硅触发电路及通信电路的设计。 最后制作了印制电路板，并分别在p i c m a t e 和m e d w i n 开发环境支持下，对主控 制板和电磁振动给料控制板进行了调试，同时在x i l i n xi s e5 2 开发环境下，对x c 9 5 2 1 6 进行了电路的输入设计、仿真和配置下载。经过反复实验和调试，现在各部分的设计均 已成功，完成了课题要求。 关键词：光电分选机：单片机；c p l d ；串行通信；给料控制 刘静茹：光电分选机控制系统的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f p h o t o e l e c t r i cs o r t e rc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t p h o t o e l e c t r i cs o r t e ri sa ne f f e c t i v ed e v i c ew h i c hc a r lb e u s e di nt h ed e t e c t i o na n d c l a s s i f i c a t i o no fg r a i n ym a t e r i a l s i t sa p p l i c a t i o nc a ne n h a n c em a t e r i a l s q u a l i t y ，i n c r e a s et h e i r a d d e dv a l u ea n db r i n gg o o de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s s ot h er e s e a r c ho ft h ep h o t o e l e c t r i c s o r t e rh a st h ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h et h e s i sm a i n l yd e s i g n sa n di m p l e m e n t st h ec o n t r o ls y s t e mo fp h o t o e l e c t r i cs o r t e r b y t h ea n a l y s i so f t h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h em a i nc o n t r o ls y s t e ma n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n f e e d i n gc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h ef o r m e rc a nc o n t r o la n dm a n a g e a l l s u b s y s t e m sa n dp e r i p h e r a lf u n c t i o n s ，w h i l et h el a t t e rc a na d j u s tm a t e r i a l s f l o wc a p a c i t y m a i nc o n t r 0 1s y s t e mu s e sp i c l 6 f 8 7 7m c ua st h ec o n t r o l l e ra n dap i e c eo fc p l d x c 9 5 2 1 6t oe x p a n dl o g i c a lc i r c u i t s ；a d o p t sn o n v o l a t i l es r a md s l 2 3 0t od e s i g ne x t e r i o r e x p a n s i o ns t o r a g ec i r c u i t s ；d e s i g n sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t sb e t w e e np i c l 6 f 8 7 7a n dt o u c h s c r e e na sw e l la sa l ls u b s y s t e m s ，e s t a b l i s h e st h er s - 2 3 2a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n b e t w e e np i c l 6 f 8 7 7a n dt o u c hs c r e e nb a s e do nm o d b u sp r o t o c o l ，a n dt h et h r e e w i r e s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e np i c l 6 f 8 7 7a n de a c hs u b s y s t e mb a s e do n u s e r d e f i n e dp r o t o c o l ；d e s i g n sc i r c u i t sw h i c hm o n i t o rp o w e rs u p p l i e so ft h es y s t e m ；u s e s d s16 2 0d i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rt om e a s u r ew o r k i n gc o n d i t i o n st e m p e r a t u r e ；d e s i g n s s w i t c h i n gs i g n a lc i r c u i t s t h ef e e d i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di nt h em o d eo fe l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n b yt h e a n a l y s i so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nc o n t r o lt h e o r y ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ea d j u s t m e n t p a r a m e t e r sa n dt h ep o w e rs u p p l yp a r a m e t e r so ft h ef e e d e ri se s t a b l i s h e d ，t h e na c c o r d i n gt o t h i s ，t h ef e e d i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do na t 8 9 c 5 1m c u i sd e s i g n e d ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e s a l t e r n a t i n g c u r r e n tz e r o c r o s sd e t e c t i o n c i r c u i t s ，f o u r s c r t r i g g e r i n g c i r c u i t sa n d c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s p r i n t e dc i r c u i tb o a r d so ft h et w oa b o v es y s t e m sa r em a d ea n dd e b u g g e dr e s p e c t i v e l yi n t h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t so fp i c m a t ea n dm e d w i n ，a n dx c 9 5 2 16i sd e s i g n e d ， s i m u l a t e da n dd o w n l o a d e di nt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fx i l i n xi s e5 2 b yt h e r e p e a t e de x p e r i m e n t sa n dd e b u g g i n g ，a l lt h ed e s i g n sa r ec o m p l e t e da n dm e e tt h e t h e s i s r e q u e s t s k e yw o r d s ：p h o t o e l e c t r i cs o r t e r ；m c u ；c p l d ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；f e e d i n gc o n t r o l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：蒸1 盘垒盔! 日期：卫皇垒塑丝隐 人连理j 二人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：劫智孕孑吵作者签名：到型查查! 新签名：避 竺尘年上月卫日 人连理n l ：= 大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 光电分选机研究的意义 在早期，物料的品质检测与分级大多是依赖于物料的硬度、弹性碰撞及低频振动等， 分级速度不快，精确度也不高。近年来，随着科技进步及计算机事业的发展，物料的品 质检测与分级逐步与现代科学技术相结合，出现了利用光电技术、核磁共振技术、短波 射线技术、机器识别技术等进行检测的新方法。而其中光电技术方法以其检测方法简单、 分级速度快、系统集成度高、成本低等特点，得到了最广泛的应用u “。 光电分选机是实现分选工艺的加工机械，是典型的光、机、电一体化的高新技术设 备。它利用物料的光学特性，可从大批物料中将颜色不正常、表面有缺陷或内部变质的 疵品及外来夹杂物无损检出并分离；是应用于不合格产品与合格产品因粒度十分接近而 无法用传统的分选设备分离或因密度基本相同而无法用比重分选设备分离场合的最佳 设备。它可以用来分选米类、豆类、芝麻、瓜籽仁、葡萄干、塑料丸等多种物料。它的 应用不但可以提高物料的品质，增加其附加值，带来巨大的经济及社会效益，而且还可 以保障食用、使用时的安全性。同时分选技术的普及在一定程度上也反映了一个国家或 地区加工技术的先进性和自动化程度，并可间接反映其劳动力成本及社会经济的发展水 平。 对于我国来说，虽然目前国内出现的分选机品牌已有2 0 多个，但在结构设计和应 用技术上，还有许多值得改进的地方口 。且目前，分选机在我国的农产品出口、食品加 工出口及化学品、矿产品等领域的应用已进入了一个快速成长期，对分选机的需求每年 都在成倍增长，这样单靠进口产品已远远不能满足市场需求，并且成本较高。 所以，无论从技术发展还是市场需求的角度来考虑，光电分选机的研究都有着非常 重要的意义。 1 2 国内外光电分选机的研究及应用概况 在分选机研究方面，国外公司起步较早。美国e s m 公司及s o r t e x 公司分别于2 0 世纪 3 0 年代及4 0 年代研制了这种设备，并根据市场需要不断推陈出新。日本佐竹公司于1 9 7 9 年首次推出这种产品，且目前生产的g s 系列大米色选机性能优越，技术指标稳定，得到 了广泛的应用【4 】。日本安西制作所于1 9 6 6 年6 月成立后，至今一直着力于光电分选技术的 研究，2 0 0 2 年4 月成功开发出世界首创的用于分选低粘度小麦的专用分选机a u ，2 0 0 4 年 开发并生产搭载高速c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 的大型号色选机d c 口】。另外从事分选 机研究的公司还有美国布勒集团及英国和瑞士的一些粮食加工设备生产企业。 刘静茹：光电分选机控制系统的设计与实现 相对国外而言，国内分选机的研究还处于起步阶段，用于成品的还很少，目前主要是 引进或者改造国外的分选机1 4 】。主要有：中美合资合肥安科光电有限公司引进美i 虱技术生产 的分选机系列；由浙江齐鲤机械有限公司和韩国韩亚自动化( 株式会社) 联合开发制作的 d i g i n i c s 系列大米分选机：合肥美亚光电技术有限责任公司2 0 0 3 年8 月推出的最新v 8 软件系统s s - b 系列数字化分选机，其首次将高速浮点d s p 数字信号处理技术及雷达中的 抗干扰技术用于数字化分选机的开发：另外，核工业理化工程研究院自主研究生产的分选 机1 9 9 6 年1 1 月通过了国家鉴定，但在结构设计上还有许多值得改进的地方，各项技术指 标与国外产品相比还有一定的差距1 5 j 。 在应用上，国外已将分选机广泛应用于农业综合企业、农产品出口、食品加工出口、 化学品企业及矿产品企业。应用对象有干燥的农产品，如稻米、豆类、芝麻等；潮湿或 冷冻的水果、蔬菜，如西红柿、豌豆、苹果、草莓等；快餐食品，如早餐、米饭；化工 原料，如塑料丸等。而在国内，光电分选机目前主要应用于剔除大米中的有色米粒和杂 质以及碾米加工业，其它农副产品加工业，如蔬果加工业等正在逐步推广应用1 4 j 。 综上可以看出，目前我国分选技术的研究还相对落后，分选机的应用还需进一步推 广。另外，我国是农业大国，对先进的粮食加工、良种栽培以及深加工技术的渴求都非 常迫切。所以，在今后的几年内，光电分选技术及设备的研究与应用必将进入一个全面 发展的新阶段。 1 3 本文的设计任务与工作 本文主要是对光电分选机的控制系统进行设计。以下是本文的设计任务： ( 1 ) 设计光电分选机的主控制系统。使主控制系统能够将触摸屏下达的所有命令和 设置的工作参数传递给各相应子系统，并将各子系统的运行状态传递给触摸屏；存储系 统的各种工作参数；对分选机的运行过程进行监控，并将异常工作信息传递给触摸屏； 输出各种控制信号等。 ( 2 ) 设计电磁振动给料控制系统。使四组分选滑道的物料流量均可单独调节，以保 持各道流量的均衡。 本文针对以上设计任务，进行了以下工作： ( 1 ) 主控制系统的设计 选用p i c l 6 f 8 7 7 单片机作为系统的控制器，以一片c p l dx c 9 5 2 1 6 扩展系统的 逻辑电路； 设计外部扩展存储电路，提供系统通信时的数据缓冲区，并对系统各种分选参 数进行备份； 大连理工大学硕士研究生学位论文 设计对系统各路电源电压进行监测的电路，为系统能够正常运行提供保障： 设计对系统工作环境温度进行监测的电路，保证系统在一定的温度下可靠运行； 设计系统的开关信号电路，以独立控制各子系统的工作； 设计主控制系统与其它各子系统间的通信电路； 系统的软件设计。 ( 2 ) 通信设计 为使主控制系统能够按照触摸屏的命令，对各子系统的工作进行设置与管理，本文 建立了主控制系统与触摸屏间的基于m o d b u s 协议的r s 2 3 2 异步串行通信，以及主控 制系统与各子系统间的基于自定义协议的三线制同步串行通信。 ( 3 ) 电磁振动给料控制系统的设计 电磁振动给料系统采用了电磁振动的方式。本文在对电磁振动控制的理论分析后， 建立了给料器的调节参数与供电参数的关系，并据此提出了基于a t 8 9 c 5 1 单片机控制 的数字实现方案，主要设计了交流电过零检测电路、四路可控硅触发电路及通信电路， 并完成了系统的软件设计。 ( 4 ) 系统调试 在完成以上系统的硬件及软件设计后，本文还对各部分的设计进行了调试，使各部 分的功能均得以实现。 刘静茹：光电分选机控制系统的设计与实现 2 光电分选机系统 2 1 光电分选机简介 ( 1 ) 分选过程 光电分选机在工作前，被选物种的各种分选参数均由用户通过人机交互界面触摸屏 设定。在分选过程中，被选物种首先由进料斗通过电磁振动给料器配送到各个分选通道 中，然后通过溜槽的加速使物种以恒定的速度下落进入光学系统。光学系统在灯光的照 射下，从前后两面由c c d 摄像头对物种进行扫描，并将c c d 输出的视频信号经高速模数 转换后，进行数据的处理和分析，给出次品的位置信号。由判别次品位置信号所产生的 延时时间差正好等于被选物种从视镜下落至喷射器之间的时间差，当次品到达喷射器位 置时，随即驱动气枪喷射高速气流，将次品吹出，使其落入次品槽，而合格品则继续下 落进入出料斗，从而完成物种的一次分选。为了提高分选精度，落入次品槽的大米还可 进行二次分选。同时在分选过程中，还可通过触摸屏对分选参数进行反复调节，以使分 选效果达到最佳。图2 1 为分选过程示意图。 0 一合格品一坎品 1 ) 料斗；2 ) 电磁振动给料器；3 ) 分选通道；4 ) 光源；5 ) 背景板；6 ) c c d 摄像头；7 ) 触 摸屏；8 ) 喷射气枪；9 ) 合格品槽；1 0 ) 次品槽 图2 1 分选过程示意图 f i g 2 1s k e t c hm a po f t h es o r t i n gp r o c e s s 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 系统结构 光电分选机型式多样，结构各异，但归纳起来，可将它分为供料系统、光学系统、 分选系统和整机的控制系统四个组成部分。其整机结构框图如图2 2 所示。 蕊i 莱磊一j 叫电磁振动给料控制系统- 4 供料系统 l i 触摸屏| 一 主控制 + 叫信号采集处理系统 _- 4 光学系统 系统 l ii 工 + 叫 气枪控制系统 卜_ 一分选系统 l 图2 2 整机结构框图 f i g 2 2s t r u c t u r eo f t h ew h o l es y s t e m 供料系统 供料系统的作用是为光学系统的观察检测和分选系统的分选工作提供保障。它将待 选物料调节整理，保证其在观察区内能被逐个地观察检测，在分选区能被方便地分选剔 除。常见的供料装置有振动给料器、溜槽、传送带、滚筒和转盘等，供料系统一般由其 中一项或两项加上料斗组成，它的选择常由待选物料的形状、大小、湿度等特性决定1 6 】。 对于颗粒状物料的分选，供料系统可以选择料斗、振动给料器和溜槽。振动给料器可以 采用电磁振动控制的方式进行设计，溜槽要保证有足够的长度( 1 米左右) ，以使物料 在溜送的过程中能够自动调整成单行，成串流动。 光学系统 光学系统是光电分选机的关键部位，其作用主要是对待选物料进行光学检测分析， 为分选系统提供准确无误的分选信息。它一般由光源、背景板、接收器和镜头组成。目 前常用的光源有荧光灯、氙灯和钠灯等。背景板选用的颜色应接近于合格品颜色，并且 通过调节其角度，使背景板产生的反射信号与合格品产生的反射信号近乎等效，以达到 较好的分选效果。接收器即光电传感器，可将接收面上的光信号转换成电信号，目前应 用于分选机上的主要有硅光电池及电荷耦合器件( c c d ) ，硅光电池虽成本低廉，但分辨 率低，对有小病斑的颗粒及浅色杂质识别能力较差，而c c d 是一种由很多微小的光电 传感器构成的阵列器件，与硅光电池相比，具有较高的分辨率【7 j ，并且系统可采用大规 模集成电路进行设计，有利于提高设备的可靠性1 8 ，所以得到了广泛应用。 分选系统 刘静茹：光电分选机控制系统的设计与实现 分选系统主要是将光学系统检测发现的次品分选剔除。对于颗粒状物料的分选，常 用的方法主要是用压缩空气喷吹。当物料进入分选系统后，合格品沿正常轨道排出，次 品则被气枪喷嘴发出的脉冲式压缩空气吹离正常运动轨道，而落入次品槽。所以要获得 准确无误的分选，就要求分选系统从接收光学系统的分选信号到分选机构动作这一延时 时间要与物料从检测点到分选点的运动时间相匹配。 控制系统 控制系统包括主控制系统、电磁振动给料控制系统、信号采集处理系统和气枪控制 系统。它们分别控制着整机各机构的工作。主要是对物料流量进行调节，将来自光学系 统的信号进行判断处理，然后将分选信息传送给分选系统，并启动气枪等分选机构来完 成分选操作。现代的分选机的控制系统一般都采用先进的微处理器代替传统的模拟电 路，这样不但可对分选参数进行存储及随时自动的调整，以保证分选效果达到最佳，而 且还可以进行故障的自诊断及处理，从而降低对操作人员的依赖性，提高系统的自动化 程度。 2 2 总体电路结构设计 通过以上对光电分选机工作过程和系统结构的分析，将光电分选机的控制系统设计 为由主控制系统和多个子系统协同工作的系统。子系统由电磁振动给料控制系统、信号 采集处理系统和气枪控制系统构成。当系统工作时，由触摸屏提供人机交互界面，主控 制系统按照触摸屏的命令，控制和管理各子系统的工作，并对温度、电源电压、开关信 号、指示灯等的外围电路进行功能控制：电磁振动给料控制系统按照主控制系统所设定 的工作参数进行工作，对物料流量进行调节，以使物料在观察区内能被逐个地观察检测； 信号采集处理系统采用光学传感器双面检出技术对四个分选滑道的物料进行检测，它包 括8 块信号板和8 个c c d 摄像机，每板控制一个c c d 摄像机进行工作并对所接收的信 号进行识别处理，给出次品位置信号；气枪控制系统接收信号采集处理系统所发送的次 品位置信号，由气枪控制板控制电动气阀喷射高压气体，将物料中的次品分选剔除，系 统每组滑道有4 块气枪控制板，每板控制8 个气动喷嘴，电动气阀的气压大小由气压控 制器控制。 对于整个系统的通信连接设计如下：触摸屏通过r s 2 3 2 接口与主控制系统连接： 主控制系统通过三条发送数据线与电磁振动给料控制系统连接：主控制系统在与信号采 集处理系统连接时，三条发送数据线和三条接收数据线经每组滑道的通信板分别与8 块 信号板连接，使8 块信号板共用接收和发送数据线组；信号采集处理系统连接气枪控制 系统，每块信号板分别与4 块气枪控制板连接。这样，通过建立主控制系统与触摸屏间 大连理工人学硕士研究生学位论文 的异步串行通信，以及其与各子系统问的三线制同步串行通信就可以将整个控制系统有 机的结合在一起。图2 3 为光电分选机控制系统的电路结构图。 l 堡量垫壁 叫卜叫塑重堑l 压孬磊再i i i i l _ 一 土控制系统| - 孬稠i 电磁振动给 三线状奄 。三线同步串行通信7 i 料控制系统 上三线同步串行通信 厂j 、b 网路厂- l 通信板1l l 通信板4i l1一l了一 嶂妊嶂两“ 冈囱囱窜窜。，窜囱窜摩 气 枪 控 制 系 r 繁o h 电动气阀控制 统 图2 3 光电分选机控制系统电路结构图 f i g 2 3c i r c u i ts t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mo fp h o t o e l e c t r i cs o r t e r 刘静茹：光电分选机控制系统的设计与实现 3 主控制系统的整体设计 3 1 整体硬件设计 光电分选机的主控制系统主要是按照触摸屏的命令控制和管理各子系统的工作，对 温度、电源电压、丌关信号、指示灯等外围电路进行功能控制，存储系统各种分选参数， 输出各种控制信号等。其硬件结构框图如图3 1 所示。 卜厨滂 扣玛 h c p i d 一l 一 p i c l 6 f 8 7 7 x c 9 5 2 1 6 u 冒一 l 瓦硎 单片机 l 礼 u 网 ：j 1 3 h 内画i o s t 0 2 0 温!7 i 竺兰= ! ! ! i 7l 到 图3 1 土控制系统的硬件结构 f i g 3 1h a r d w a r es t r u c t u r eo ft h em a i nc o n t r o ls y s t e m 主控制板通过接口电路连接触摸屏、信号采集处理板、电磁振动给料控制板、气枪 控制板及开关信号电路。p i c l 6 f 8 7 7 单片机是主控制系统的控制器。它具有运行速度快、 引脚输入输出驱动能力强、外围功能丰富、功率消耗低等突出特点，且价格较低1 9 j ，所 以将它应用于光电分选机的设计，不但可以简化系统的硬件设计、提高控制系统的可靠 性，而且还可以降低系统成本。x c 9 5 2 1 6 是x i l i n x 公司生产的一款高性能c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，用它可以实现p i c l 6 f 8 7 7 与其它各控制板间的逻辑电路的 设计，及其它各输入输出信号间的逻辑关系l l 。它不但具有很高的速度和可靠性，而且 还具有用户n f 重复编程的特点【1 1 j ，所以对x c 9 5 2 1 6 的采用缩小了数字电路系统的体积， 减少了所用：吝 的种类，还使系统的设计变得非常灵活。外部扩展存储电路采用3 2 k 8 位的非易失性静态随机存取存储器：( s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，s r a m ) d s l 2 3 0 、 7 4 h c 3 7 4 触发器和7 4 h c 5 7 3 锁存器进行设计，d s l 2 3 0 主要用于提供各系统阳j 通信时所需 大连理工大学硕士研究生学位论文 的数据缓冲区，并对系统工作参数进行存储备份。d s l 6 2 0 是由美国d a l l a s 公司生产的新 型数字温度传感器，它具有外围接线简单，转换温度可靠等特点，能够对系统的工作环 境温度进行监测。六路电压监测电路用于监测本系统和外围系统的工作电源电压。开关 信号输入输出电路控制着系统工作的启停。p i c l 6 f 8 7 7 与其他系统间的通信电路主要包 括m a x 2 3 2 传输线驱动器、数据发送线驱动器等。 下面章节将对上述主控制系统中各部分的设计与实现进行详细介绍。 3 2 微控制单元p 1 0 1 6 f 8 7 7 p i c l 6 f 8 7 7 是美 m i c r o c h i p 公推出的一种单片机。p i c 系列的单片机一直都在朝 着高性能、低价位及小型化的方向前进，且能提供较完整的嵌入式控制系统的解决方案， 所以在工业、家用电器等领域得到了较为广泛的应用 9 1 。 p i c l 6 f 8 7 7 单片机的主要特性如下： ( 1 ) 核心特点 高性能的r i s cc p u 核心； 哈佛总线类型，两级指令流水线结构； d c 到2 0 m h z 的时钟输入，即最短2 0 0 n s 的指令周期； 8 kf l a s hr o m 程序存储器，3 6 8 8 位r a m 数据存储器及2 5 6 个字节的 e e p r o m 数据存储器； 具有1 4 个中断源； 内置看门狗定时器； 具有省电功能的休i 眠( s l e e p ) 模式； 采用低功率、高速的c m o sf l a s h e e p r o m 技术： 引脚可吸入或提供电流高达2 5 m a ； 低功率消耗。 ( 2 ) 外围特点 3 个定时计数器； 2 个c c p ( c a p t u r e c o m p a r e p w m ) 模块； 1 0 位8 通道的a d 转换器； 提供了同步异步接收发送系统； 提供了同步串行口，包括s p i 和1 2 c 两种通信模式。 在本设计中，不仅充分利用了p i c l 6 f 8 7 7 的较好的控制特性，还利用了它的很多外 设及中断源。p i c l 6 f 8 7 7 的r a l r a 3 端口控制发送数据给信号采集处理系统的三条总 刘静茹：光电分选机控制系统的设计与实现 线；r b 端口控制读写d s l 2 3 0 与读x c 9 5 2 1 6 内缓冲区的地址数据复用总线，以及模拟多 路复用，分解器h c 4 0 5 1 的选择输入端口；r c 0 、r c 3 端口提供读x c 9 5 2 1 6 缓冲区的读信号 与地址信号；r d 端口连接读写d s l 6 2 0 的三条控制线及d s l 2 3 0 的读写选通信号端口；r e 端口控制与电磁振动给料系统通信的线路。对于外设及中断源的应用，利用了异步串行 通信模块，建立了p i c l 6 f 8 7 7 与触摸屏之间的的通信连接；利用a d 转换模块完成了对 系统电源电压的监测；利用定时器2 设计了对系统进行状态检测的定时时基；利用定时 器0 的外部计数中断及c c p 2 的下降沿捕捉事件中断，完成了对同步串行通信数据的读操 作。 对于p i c l 6 f 8 7 7 的软件开发与调试，采用t m i c r o c h i p 公司的p i c m a t e 2 0 0 2 仿真器。 p i c m a t e 2 0 0 2 能对p i c 单片机全实时地在线仿真，不占用任何单片机资源；同时又提供 了强大的仿真调试功能，极大的提高了p i c 单片机的开发效率。 3 3 基于c p l dx c 9 5 2 1 6 的i 0 扩展 对于p i c l 6 f 8 7 7 单片机与信号采集处理板、气枪控制板问的逻辑电路设计，以及丌 关信号问的输入输出逻辑设计，本文采用了一片c p l dx c 9 5 2 1 6 来实现。 3 3 1x c 9 5 2 1 6 器件及开发流程 x c 9 5 2 1 6 足x i l i n x 公司x c 9 5 0 0 系列c p l d 中的一种，该系列c p l d 可满足在系统可编 程的要求，增强的引脚锁定性能可避免更改电路板，扩展的j 1 a g 指令集允许对编程模 式和在系统调试进行控制，最少1 0 0 0 0 次的编程擦除周期可实现系统区的重新配置和升 级。所以该系列c p l d 在系统的i o 口扩展上得到了广泛应用。 x c 9 5 2 1 6 器件包括1 2 个功能块( f b ) 和多个i o 模块，并通过f a s t c o n n e c t 开关矩阵 实现内部连接。i o 模块完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配。每个功能 模块包含1 8 个宏单元，宏单元是x c 9 5 2 1 6 的基本结构，由一些与、或阵列及触发器构成， 每个都可以独立配置为通过组合或寄存器实现功能。f a s t c o n n e c t 开关矩阵可完成布 线功能，以线与的方式实现不同宏单元输入与输出项之间的连接【l “。 对于c p l d 的工程设计，其一般开发流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、 实现、布局布线后仿真与验证及下板调试等主要步骤【1 3 1 。本文采用了x i l i n xi s e5 2 开发 环境，其几乎提供了所有设计流程工具。针对本文，在设计输入方法上采用了最常用的 v e r i l o g 硬件描述语言法 1 4 1 ，其有利于系统自顶向下设计及模块的划分与复用；为验证电 路功能是否符合设计要求，采用了第三方软件m o d e lt e c h 公司的m o d e l s i m5 5 进行各种 仿真；综合工具采用了i s e 中内嵌x s t ；另外实现及配置工具也都采用了i s e 自带工具， 其中配置工具i m p a c t 支持边界扫描模式，通过x c 9 5 0 0 系列器件j t a g 接口可方便实现 大连理工大学硕士研究生学位论文 配置文件的下载。图3 2 示出了较完整的c p l d 设计流程图。 图3 2c p l d 设计流程图 f i g 3 2f l o wc h a r to f c p l d sd e s i g n 3 3 2x c 9 5 2 1 6 使用规划 x c 9 5 2 1 6 对p i c l 6 f 8 7 7 单片机的通用i o 口进行了扩展，通过v e r i l o g 硬件描述语 言电路输入法实现了各逻辑电路的设计，其具体实现过程将在应用x c 9 5 2 1 6 进行设计 的各部分进行介绍。下面对x c 9 5 2 1 6l j 各系统之间的输入输出信号 o 】进行说明： ( 1 ) 与p i c l 6 f 8 7 7 之间 m e na d o m c u9 d 7 ( p i n l 0 9 1 0 2 ) = 8 位地址总线； m c ud a t a o m c ud a t a 7 ( p i n l l 9 1 1 2 ) ：8 位数据总线； m c ua l e ( p i n l 3 4 ) ：地址锁存输入信号，下降沿有效； m c ur d ( p i n l 3 1 1 ：读选通输入信号，下降沿有效； 刘静茹：光电分选机控制系统的设计与实现 m c u r d _ i n t l ( p i n l 2 8 ) ：输出p i c l 6 f 8 7 7 的t i m e r 0 外部中断信号，请求读取信号采集 处理系统的数据，下降沿有效； m c u r a _ i n t 2 ( p i n l 3 3 ) ：输出p i c l 6 f 8 7 7 的c c p 2 捕捉事件中断信号，请求读取气枪 控制系统的气压状态，下降沿有效。 但) 与信号采集处理系统之间 c l k i n l ( p i n l 4 7 ) ：时钟输入信号； d a t a i n l ( p i n l 4 6 ) 数据输入信号； d l e l ( p i n 3 3 ) ：锁存输入信号。 ( 3 ) 与气枪控制系统之间 s t a t el ( p i n l 5 3 ) ：气压低输入信号，低电平有效； s t a t e s t a t en ( p i n l 5 5 ) ：气压控制器开始工作输入信号，低电平有效； es w i t c h ( p i n 8 9 ) ：气枪控制器开关输出信号。 ( 4 ) 与电磁振动给料控制系统之间 fs w i t c h ( p i n 8 8 ) ：开关输出信号。 ( 5 ) 与开关信号电路之间 pi n p u t ( p i n 3 6 ) ：主系统开关状态输入信号； fi n p u t ( p i n 3 7 ) ：给料控制系统开关状态输入信号； e ) n p u t ( p i n 3 8 ) ：气枪控制系统开关状态输入信号； p ：主系统开关状态输出信号；_output(pinl2) f ：给料控制系统开关状态输出信号；output(pinl9) eo u t p u t ( p i n l 4 ) ：气枪控制系统开关状态输出信号。 3 4 外部扩展存储电路 3 4 1 存储电路设计与实现 主控制板的外部扩展存储器采用了非易失性s r a md s l 2 3 0 ，它具有3 2 k 8 位的 存储空间，读写访问周期短，掉电保护数据至少1 0 年等特点【1 5 】。外部存储电路原理图 如图3 3 所示。d s l 2 3 0 具有1 5 条地址总线，8 条数据总线。p i c l 6 f 8 7 7 单片机的r b 口 作为地址数据复用端口；7 4 h c 5 7 3 为低电平锁存器，用来锁存d s l 2 3 0 的低8 位地址： 7 4 h c 3 7 4 为上升沿触发器，用来锁存d s l 2 3 0 的高7 位地址【16 。利用这两片锁存器的锁 存特点，将它们的触发引脚( c ) 并接到p i c l 6 f 8 7 7 的r d 5 引脚上，由r d 5 实现读写时 大连理工大学硕士研究生学位论文 序的统一控制，同时还节省了i o 口的占用。p i c l 6 f 8 7 7 的r d 6 连接和r d 7 端口分别 连接d s l 2 3 0 的读写信号端口 在p i c l 6 f 8 7 7 对d s l 2 3 0 进行读写时，先由r b 端口送高位地址，利用r d 5 输出信 号的上升沿由7 4 h c 3 7 4 对其进行锁存；然后r b 端口在r d 5 信号的高电平送低位地址， 再利用r d 5 信号的低电平由7 4 h c 5 7 3 对其进行锁存；当1 5 位地址锁存完好后，在r d 5 为低电平时，分别通过r d 6 和r d 7 端口发送读写信号，经r b 端口读写数据。这样， 通过对r b 端口的分时复用，实现了对d s l 2 3 0 的读写操作。图3 4 为p i c l 6 f 8 7 7 读写 d s l 2 3 0 的时序图。 琵 图3 3 外部存储电路原理图 f i g 3 3s c h e m a t i cc i r c u i to f e x t e r i o rm e m o 巧 r d 5 ( c ：! 一【。，一 嘲面_ 厂一i nao，：)(：!：j!j：)(：ji：!j：趣(二i“ 哪而r 厂 r b 0 1 二) 二立巫二二至互二x 二匦巫 1 1 图3 4p i c l 6 f 8 7 7 读写d s l 2 3 0 时序图 f i g 3 4t i m es e q t l e n c ed i a g r a mo f p i c l 6 f 8 7 7r e a d i n ga n dw r i t i n gd s l 2 3 0 3 4 2 存储空间的分配 d s l 2 3 0 具有3 2 k x8 位的存储空间，用于提供系统通信时的数据交换缓冲区，备份 系统工作参数及存储系统常用数据等。d s l 2 3 0 在使用时按页进行管理，每页4 k 字节， 刘静茹：光电分选机控制系统的设计与实现 共分8 页。表3 1 为其存储空间的分配情况。第0 页为系统通信时的临时数据交换缓冲 区，用于存储系统的开关状态、报警信息、工作参数及样本数据等；第1 5 页每页分别 备份一种物料的分选工作参数，当系统上电工作时，若触摸屏有新的参数设置，则将第 0 页参数传递给各子系统，若无新的设置，则传递触摸屏指定页号内的参数；第6 页备 用；第7 页为操作人员信息及工作记录。 表3 1d s l 2 3 0 存储空间的分配 t a b 3 1d i s t r i b u t i o no f d s l 2 3 0m e m o r ys p a c e 3 5 电源电压监测单元 3 5 1 监测电路 分选机控制系统有多路工作电源，为使系统正常工作，在分选机工作前必须保证各 路电源接通且工作过程中电压稳定，为此本文设计了图3 5 所示的电源监测电路，利用 p i c16 f 8 7 7 内置a d 转换模块对各路工作电压进行监测。 系统监测的各路电压包括两路+ 5 v 、1 2 v 、+ 2 4 v 和+ 6 0 v 。外围电压通过接口电 路接到主控制板。由于a d 转换模块的基准电压为+ 5 v ，所以各路电压均要转换为+ 5 v 以内的电压。一路+ 5 v 、+ 1 2 v 、+ 2 4 v 经降压，一1 2 v 经运算放大器4 5 7 0 降压反相，及 另一路+ 5 v 、+ 6 0 v 经光电隔离后分别与模拟多路复用分解器h c 4 0 5 1 的输入端口相连 接，h c 4 0 5 1 的通道选择端口s 2 、s 1 和s o 与p i c l 6 f 8 7 7 的r b 端口相连接，这样通过 赋予r b 端口不同的值就可以选通一路电压。再将h c 4 0 5 l 的公共输出引脚p 3 经运算放 大连理工大学硕十研究生学位论文 大器4