（模式识别与智能系统专业论文）色选机控制系统的研究.pdf

学位论文的主要创新点 jitlllllliririijifi i i l l rr r f j i j i i l r l l l ri i i i y 17 7 3 15 i i i i i i i 5 i l l l f 一、把模糊理论和神经网络技术引入色选机米道的划分中，这样不仅 能够减少工人的工作量，而且提高了机器的智能化。本文中从理论上 验证了其可行性。 二、在硬件核心单元设计上采用了c p l d 和c o r t e x m 3 的组合方案， 这样在保证系统稳定运行的前提下，降低了硬件成本。 摘要 色选机是集光、机、电、气等高科技成果于一体的食品快速分拣设备，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。本设计主要是用于区分大米中的杂质，如区分透 明米中带白斑、水黄色、黑色的杂质米。 本文主要论述了色选机的设计原理、组成部分，对各部分作了简要的介绍。 设计了主控制系统、检测分选控制系统、料斗控制系统、通讯系统四部分。主控 制系统主要对子系统进行控制和管理，并对外围功能模块进行协调；检测分选控 制系统主要有检测系统和分选控制系统，检测系统主要用于对物料的检测，分选 系统主要用于对杂质的剔除；料斗控制系统用于对物料流量的控制，是保证产量 的关键部分；通讯系统主要用于各个子系统问的联系。检测分选控制系统是色选 机的核心部分，决定了色选机的精度和灵敏度。 本文首次把模糊理论和神经网络技术引入色选机米道的划分中，在理论上验 证了其可行性。这为将来色选机的升级换代提供了理论基础。在硬件核心单元设 计上，我们没有单纯的采用大容量的f p g a 或者c p l d ，而是采用低成本的c p l d 和c o r t e x m 3 的组合方案。经过大量实验和理论论证，做出的样机达到了我们最 出的设计指标：产量约为3 吨j 、时，含杂率2 3 ，色选精度达到9 9 9 ，带出 比1 ：3 ，能够长时间稳定工作。 关键词：c c d ，色选机，l ac o s i i ，m o d b u s a b s t r a c t t h ec o l o rs e l e c t o ri st h eq u i c kf e t o ds e l e c t i o ne q u i p m e n ti n t e g r a t i n gm a n yh i g h t e c h n o l o g i e ss u c ha so p t i c s ，m a c h i n ea n de l e c t r i c s ，a n d i ti sm a i n l yu s e dt os e p a r a t e h e t e r o 幽m o u sg r a i n ss u c ha sy e l l o w i n gg r a i n s ，m i l d e wg r a i n sa n di m p u r i t i e sf r o m r i c e ，p e a n u t s ，m e l o ns e e d sa n ds e s a m e s ，a n di t i st h ei m p o r t a n te q u i p m e n tt oe n s u r c t h es a f e t ya n dq u a l i t yo fg r a i n s i i ln l i sa r t i c l e ，t h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h ec o m p o s i n gp a r t so ft h ec o l o rs e l e c t o r a r es i m p l yi n t r o d u c e d t h ec o l o rs e l e c t o ri n c l u d e s t h em a i nc o n t r o ls y s t e m ，t h e c h e c k i n gs e p a r a t i o ns y s t e m ，t h ev i b r a t i o nf e e d - i ns y s t e ma n dt h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h em a i nc o n t r o ls y s t e mm a i n l yc o n t r o l sa n dm a n a g e s v a r i o u ss u b s y s t 锄s ， a n dh a n n o i l i z e se x t e r i o rf u n c t i o n a lm o d u l e s t h ec h e c k i n gs e p a r a t i o ns y s t e mm a i n l y t r e a s u r yt h ec h e c k i n gs y s t e ma n d t h es e p a r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h ec h e c k i n gs y s t 锄 i s m a i n l yu s e d m a t e r i a l st e s t i n ga n dt h es e p a r a t i o nm a i n l y e l i m i n a t e s 廿l e h e t e r o c h r o m o u sg r a i n s t h ev i b r a t i o nf e e d - i ns y s t e mw h i c hi s t h ek e yp a r to ft h e p r o d u c t i o ni su s e dt oc o n t r o lt h ef l u xo fm a t e r i a l s t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i s m a i n l vu s e df o rt h el i n ka m o n gv a r i o u ss u b s y s t e m s t h ec h e c k i n gs e p a r a t i o ns y s t e m w h i c hd e c i d e st h ep r e c i s i o na n ds e n s i t i v i t yo ft h ec o l o rs e l e c t o ri st h e c o r eo ft h ec o l o r s e l e c t o r i nt h i sa r t i c l e ，t h ef u z z yt h e o r ya n dt h ea n n a lef i r s t l yi n t r o d u c e di n t ot h e d i v i s i o no ft h ec o l o rs e l e c t o ra n dt h ef e a s i b i l i t yi sa l s ov a l i d a t e dt h e o r e t i c a l l y r e s u l t ， t h a tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o ru p g r a d i n g l o w c o s tc o m b i n a t i o no fc p l d a n d c o n e x m 3i su s e di n s t e a do fo n l yd e p e n d i n go nf p g a o rc p l d t h ed i v i s i o no ft h e c o l o rs e l e c t o ra c h i e v e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sb yal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a la r g u m e n t s t h ep r e c i s i o no ft h ec o l o rs e l e c t o rc o u l dr e a c h9 9 9 i n t h eb a dm e t e rr a t eo f2 t o3 a n dt h eo u t p u to f m a t e r i a l sw a s3t o n si na n h o u r k e y w o r d s ：c c d ，t h ec o l o rs e l e c t o r ，r t c o s i i ，m o d b u s 目录 第一章绪论1 1 1 色选机的现状和研究意义1 1 2 本文主要研究的内容2 第二章色选机系统简介2 2 1 色选机的工作原理及性能指标3 2 2 色选机系统设计5 2 2 1 色选机系统结构简介5 2 2 2 色选机总体电路结构设计6 第三章色选机主控制系统设计7 3 1 主控制系统硬件设计7 3 1 1 主控芯片c 8 0 5 1 f 0 4 0 介绍一7 3 1 2 步进电机驱动设计9 3 2 主控制系统软件设计1 2 3 2 1g c o s i i 介绍1 2 3 2 2g c o s i i 移植与应用13 3 2 3 主控制系统软件设计流程15 3 3 人机模组设计l5 3 4 系统走线17 第四章检测分选控制系统设计1 9 4 1 光学系统1 9 4 1 1 光学照明1 9 4 1 2 光学成像19 4 2 检测系统2 0 4 2 1 检测系统硬件设计2 0 4 2 2 检测系统软件设计2 5 4 3 分选控制系统2 6 4 3 1 分选控制系统硬件设计2 6 4 3 2 分选控制系统软件设计2 6 第五章色选机料斗控制系统设计31 5 1 料斗控制系统硬件设计3 2 5 2 料斗控制系统软件设计3 4 5 3 温度控制系统3 6 5 3 1 温度控制系统硬件设计3 6 5 3 2 温度控制系统软件设计3 7 第六章通讯控制系统设计4 1 6 1 通讯控制系统硬件设计4 1 6 2 通讯控制系统软件设计4 2 第七章色选机图像处理算法4 7 7 1 色选机图像的识别与分类4 7 7 1 1 色选机图像的二值化处理4 7 7 1 2 色选机图像的分类识别4 9 7 2 模糊理论和神经网络在色选机中的应用5 0 7 2 1 模糊理论和神经网络简介5 0 7 2 1 模糊理论和神经网络在色选机米道划分中的应用5 1 第八章抗干扰设计与系统调试5 7 8 1 抗干扰设计5 7 8 2 系统调试5 8 8 2 1 样机介绍及电路调试5 8 8 2 2 实验结果及分析6 2 第九章结论6 5 参考文献6 7 发表论文和参加科研情况说明6 9 致谢7 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 色选机的现状和研究意义 色选机首先出现在食品行业上，人们生活质量的提高必然要求健康的食品， 色选机就是在这种情况下诞生的。色选机作为实际产品应用首先出现在国外。我 国的色选机行业发展较晚，但进步较快，在某些领域已经超过国外。 在色选机研究方面，国外公司起步较早。美国e s m 公司及s o r t x e 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出新的产 品。日本佐竹公司于1 9 7 9 年首次推出这种产品，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【l 】。日本安西制作所从成立至今， 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，同年，开发并生产搭载高速c c d 的大型色选机【2 】。 目前国内色选机市场上以日本、韩国、意大利等国产品为主，大多数为光电管色 选机，少量是c c d 色选机。相对国外而言，国内企业正处于研发或小批量生产 阶段，成型的产品还很少，总体技术和工艺制造水平较差，目前还没有国家标准 p j 。在国内市场上目前主要的色选机有：中美合资合肥安科光电有限公司引进美 国技术生产的色选机系列；核工业理化工程研究院自主研发生产的色选机已通过 国家鉴定。但国内色选机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。 中国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。而随着人民生活 水平的提高，人们对食品安全的要求也越来越高，这直接促进了色选机事业在我 国的发展。色选机在我国的应用，首先在大米行业快速展开，大米加工厂生产精 制米时使用的色选机，主要用于选出带有黄粒米、红粒米、腹白米、霉变米、黑 色病斑米等异色米粒，以及砂石、土块等异色颗粒状杂质大米经色选机精选提 纯后，可以获得完好的、纯净的、透明度和品种纯度高的具有本品种大米固有的 正常色泽的米粒，因而品相得到显著提高。除此之外，色选机还在种子、榨油、 果品等领域得到长足发展。许多高级食品原料经过色选后精度明显提高，身价倍 憎【4 】【5 】 i e l0 到目前为止色选机主要应用领域还是在食品分选上，在其它行业的应用还是 比较少的，但不能说在其它行业没有市场，没有应用空问。其实色选行业本身就 天f ? - r q k 人学硕十学何论文 是一个很大的行业，可以用到工业物料的筛选、块状物料的筛选。近些年来色 选的应用领域在不断扩大，体现在各个行业上，各个商家也认识了这个领域。各 地中小企业的规模也在不断的扩大【6 j 。 综上所述，无论从技术发展还是市场需求的角度来考虑，对色选机的研究和 应用都有着非常重要的意义。 1 2 本文主要研究的内容 本文主要对色选机进行了设计与实现，以t c d l 2 0 9 d 线阵c c d 器件为核心 元件。以单片机和c p l d 为核心控制单元。本设计需要完成的工作如下： ( 1 ) 系统硬件设计 主控制系统的硬件设计。 料斗控制系统硬件设计。 溜槽底部基于p t l 0 0 桥电路的加热系统硬件设计。 线阵c c d 传感器的选择及驱动电路的设计。 图像信号的调理、高速采样电路的设计。 各个子系统处理器芯片的选择。 通信电路设计。 色选机系统电源电路设计。 ( 2 ) 系统软件设计 采用c p l d 设计实现c c d 时序逻辑控制。 控制芯片中嵌入式实时操作系统的移植与应用。 设计不同的通信方式，有总线通讯、串行通讯、并行通讯。 温度控制系统中基于积分分离的p i d 算法的设计。 根据图像的识别准则与算法，完成图像的识别与信号处理。 ( 3 ) 色选机性能指标 本设计完成后，设计出色选机样机一台。其性能指标要达到：产量约为3 吨，j 、时，含杂率2 3 ，色选精度达到9 9 9 ，带出比l ：3 。 _ 2 第- ：审色选机系统简介 第二章色选机系统简介 2 1 色选机的工作原理及性能指标 普通分选技术是利用机械设备清除杂质，其主要原理是利用杂质与物料粒度 大小、形状长短或密度高低等物理特性的不同进行工作的。而光电色选机的工作 原理则是利用合格物料与杂质之间的颜色深浅对光的感应强度不同的特性来进 行工作的【7 】。以大米色选为例，色选机对大米进行分选之前，要根据所选原料米 中杂质的比例和种类，设定色选模式和产量等参数。然后将物料送到料斗，物料 通过料斗震动后进入具有一定角度的溜槽中，由装在色选机中物料两侧的光学摄 像头对物料进行光照对比，捕捉与合格物料颜色有差异的物料及杂质，然后由光 信号转换成电信号，在把电信号放大、滤波，经过一系列的算法产生最终的执行 信号，决定电磁阀是否启动高压气流喷嘴，用高压气流吹走杂质，从而将要清除 的不合格物料及杂质吹出，完成一选后再由提升机提升入二次进料斗进行二次色 选；正常米则直接排出到下道工序。通过二次色选通道分选出的不良米是最终不 良品，排到不良品斗另行存储【8 】。图2 1 为色选机工作原理图。 图2 1 色选机：【作原理图 通 过 升 降 机 供 应 p = m 1 - m 2 1 0 0 m l ( 2 2 ) 式中p 表示选别率；m 1 表示选前异色粒含量；m 2 表示选后异色粒含量。 带出比是指经色选机后进入不良品中的异色粒与正常米粒的质量之比，一般 为不良品中的异色粒与好米的粒数比例。带出比参数可以分为一次带出比和二次 带出比，带出比是一个综合性的参数，与原料中的杂质含量，成品中的杂质含量、 用户对成品的色选精度等因素有判引。 色选机的产量与滑槽数目有关，滑槽数目越多，产量就越大；也与滑槽的形 状也有关，槽形状主要有三种v 型槽、u 型槽、平板。v 型槽产量最小，坏米 和好米的带出比小，平板产量最大，坏米和好米的带出比大，u 型槽介于两者之 间。色选机的产量与原粮质量，色选精度要求也有关，原粮杂质越少，产量越大； 反之，原粮质量越差产量越少；色选精度要求越高，产量相对越少。对于一般的 色选机，在额定产量和限定的异色粒含量下，其色选精度应达到9 9 以上。若进 入色选机之前的原粮中杂质含量不同，异色粒的种类、颜色深浅和着色部位不同， 则色选机的选别率也不同。国外的色选机制造商一般承诺在设计的流量下异色粒 含量不超过3 ，如果进色选机前异色粒含量超过3 ，则色选机的选别率将会 下降。为了保证质量，不得不调节流量，增大色选机色选通道颜色对比度( 以增 加喷射次数) 来实现；流量太小，通道内的原粮层太薄，颗粒在通道内不能滑动， 而是滚动或跳动，这样就导致了产量的下降，带出比增大，降低色选精度，色选 机的性能因而不稳定i l 。 结合市场上现有产品和实验条件，我们选择u 型槽。设计的样机性能指标 为：产量大约为3 吨j 、时，含杂率大约为2 3 ，色选精度达到9 9 9 ，带出比 1 ：3 。 4 图2 - 2 色选机控制系统框图 ( 1 ) 主控制系统 主控制系统作为系统连接的桥梁，通过接口电路子系统和触摸屏连接起来。 这样在色选机工作的时候，就以触摸屏为人机交互界面，对系统的各个模块进行 设置和监测，从而实现对整个色选机的统一管理。 ( 2 ) 检测分选控制系统 检测分选系统作为色选机的核心部分，包括了检测系统、分选控制系统和光 路控制系统。该系统的主要作用是对物料进行光学检测，然后产生准确无误的分 选信息。最终由分选控制系统把检测发现的次品剔除。对颗粒装物料，最常用的 剔除方式是压缩气流吹出，当物料进入分选控制系统后，合格品沿正常轨道排出， 次品则被气枪喷嘴喷出的压缩气流吹出正常运动轨道，而落入次品槽。 ( 3 ) 料斗控制系统 温度控制系统包含其中，主要用于对米道的加热。料斗控制系统的作用是调 节待选物料的流量，为检测分选控制系统的观察、检测和剔除提供保证。它将待 选物料调整，使其流速和个体姿态保持相对稳定，保证物料能被逐个的观察检测。 ( 4 ) 通讯系统 通讯系统主要作用就是连接各个系统，保证他们之间通讯的流畅和稳定。 5 天津t 、i p 夫学硕十学位论文 2 2 2 色选机总体电路结构设计 本系统在电路结构设计上采用模块化的设计思路，在能保证各个子系统能独 立工作的同时，又能保证各个子系统之间相互联系，共同完成任务。主控制系统 直接或间接控制和管理其它系统，以及控制温度、电源电压、开关信号、指示灯 等外围电路等，电路结构体现在主控制板上。检测分选控制系统在电路中体现为 分4 路分选控制板。每一路分选控制板分为c c d 驱动板和c c d 接口上。c c d 驱动板主要物料进行检测和识别处理，驱动板带有一个线阵c c d ，负责扫描工 作并进行光电转换处理：然后对3 2 路扫描后信号进行a d 转换，并分别进行判 别，产生检出信号。检出信号传到c c d 接口板上，由c c d 接口板控制高速电磁 阀将高压气流喷出。系统每个溜槽下都对应有一个气枪喷嘴，当不合格品下落到 气枪喷嘴前面时，就可以通过控制高速电磁阀的打开，将不合格物料喷出合格物 料下落的队列。图2 3 给出了色选机总体结构框图。 图2 - 3 色选机总体结构框图 6 第三章色选机t 控制系统设计 第三章色选机主控制系统设计 主控制系统作为整个色选机核心控制部分，决定了整个系统的稳定性；因此 主控芯片的选择起到至关重要的作用。在这里我们选用美国新华龙公司的 c 8 0 5 1 f 系列单片机，满足了主控制系统的要求。在软件上我们选用嵌入式实时 操作系统| lc o s i i ，这样对整个系统的稳定性起到了很好的保障。由于在整个 色选机中需要的电源种类比较多，所以合理的分配和控制电源，对系统的稳定性 也是至关重要的，因此我们把系统走线和人机模组也加入到主控制系统设计中。 主控制系统硬件框图如图3 - 1 。 触摸屏k 互 接 刊m a x 2 3 2p 肄纠线性驱动k 令 j 妥 口 一卜 r 电 口 l4 l 机 接1 开关信号b 接 控 口 冬一 制 电源驱动板 一： 一卜 线性驱动 一卜 5 广1 口 广- 1 2 c 8 0 5 l f 0 4 0 l 料涮撇p 接 刮，线性驱动b矧状体信号怿 接 口 口o 气 3 6 压 控 接 制 通讯接口 愆一7 一一，z m a x 4 8 5 k 1卜、 线性驱动 1 卜、1 卜、板 广、 广1 口 r 1 7 图3 - 1 主控制系统硬件框图 3 1 主控制系统硬件设计 为保证住控制系统高效、稳定的运行，控制芯片我们选择了新华龙公司的混 合信号系统级芯片c 8 0 5 1 f 0 4 0 。由于反光板也由主控制系统来控制，所以在主控 制系统硬件设计上我们加入了步进电机的驱动电路。 3 1 1 主控芯片c 8 0 5 1 f 0 4 0 介绍 c 8 0 5 1 f 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8 0 5 1 兼容的高速 7 天津t 、l k 大学硕十学何论文 c i p 5 1 内核，与m c s 5 1 指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常 用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置f l a s h 程序存储器、内部r a m ， 大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的r a m ，即x r a m 。内部j t a g 接1 2 1 可以进行非侵入式、全速在线系统调试【l l 】。c 8 0 5 1 f 系列器件是完全集成的 混合信号片上系统型m c u ，片内集成了一个c a n 2 0 b 控制器，方便将来通讯控 制系统的升级换代。 c 8 0 5 1 f 系列单片机的主要特性。 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) 。 c a n 2 0 b 控制器，具有3 2 个消息对象，每个消息对象有其自己的标识。 全速、非侵入式的在线系统调试接口( 片内) 。 真正1 2 位的a d c ，8 通道模拟多路开关。 允许高电压差分放大器输入到1 2 1 0 位a d c ，增益可编程。 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式。 6 4 k b 系统可编程的f l a s h 存储器。 4 3 5 2 ( 4 k + 2 5 6 ) 字节的片内r a m 。 硬件实现的s p i 、1 2 c 和两个u a r t 串行接口。 5 个通用的1 6 位定时器。 工业温度范围( 4 5 n + 8 5 ) 工作，基本满足色选机温度要求范围。 宽工作电压为2 7 3 6 v ，1 0 0 脚t q f p 封装f 1 2 】【1 3 】。 为了便于对通讯系统的调试，在主控制板中加入了2 3 2 4 8 5 转换电路；这样 就可以直接连接p c 机观测各个子系统之间的通讯情况。这样不仅在研发阶段能 够实时观测数据；也便于将来的现场调试和维护。图3 2 通讯转换电路。 c 4g n 【) ( 6 g n d ，n 8 5 图3 2 通讯转换电路 8 第三章色选机士控制系统设计 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i - i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 在主控制系统电路设计中应该注意对主控芯片的保护，这样才能保证整个系 统的稳定，所以在主控芯片与其它外部模块相连接时，我们加入了光耦等进行信 号隔离。 3 1 2 步进电机驱动设计 色选机的灵敏度和应用范围可以通过调整反光板进行调整。通过调整反光 板，可以使光照强度尽量稳定在一个恒定的区间内，保证检测精度。反光板由步 进电机来控制旋转，用光电开关检测反光板的起始位置。光电开关和步进电机驱 动板都连入主控板，由主控板来控制。每次系统上电或停机反光板首先都自动转 到起始位置，然后根据色选模式转一定的步数。 光电开关主要用于反光板位置的检测。确定反光板的起始位置后，然后跟据 选择物料的不同控制步进电机的行走步数。光电开关驱动电路如图3 3 所示。 图3 - 3 光电开关驱动电路 ，： 在反光板控制上之所以选择步进电机，首先步进电机控制比较容易，属于开 环控制，其次步进电机控制技术也比较成熟。 步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给 定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电 机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1 8 度( 俗称一步) 或0 9 度( _ 俗 称半步) 。以步距角为0 9 度的步进电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信 号，步进电机就转过0 9 度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1 8 度。以此类 推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机 转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广 泛的应用：1 4 j 。 。 步进电机的基本参数： ( 1 ) 步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。 电机出厂时给出了一个步距角的值，它不一定是电机实际工作时的真正步距角， 真正的步距角和驱动器有关，这就是我们经常在步进电机中提到的步进数。 ( 2 ) 步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三 9 天泽t 业人学硕十学何论文 相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步 距角为0 9 0 1 8 0 、三相的为o 7 5 0 1 5 0 、五相的为o 3 6 0 o 7 2 0 。在没有细分驱动器 时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细 分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可 以改变步距角。 ( 3 ) 保持转矩：它是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。 它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。 由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而 变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2 n m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2 n m 的步进电机。 ( 4 ) d e t e n t t o r q u e ：是指没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。 d e t e n t t o r q u e 在国内没有统一中文名称，所以直接使用英文名字i l 5 。 根据以上步进电机的基本参数我们就能选择适合本系统的步进电机。步进电 机选择完成后，剩下的工作就是对步进电机的硬件设计，主要是驱动电路设计， 本设计成功实现了步进电机的硬件驱动，步进电机硬件框图如3 4 所示。 图3 _ 4 步进电机硬件框图 本设计采用的是l 2 9 7 与l 2 9 8 相结合的设计方案。l 2 9 7 是步进电动机控制 器( 包括环形分配器) 。l 2 9 8 是双h 桥式驱动器。这种方式结合的优点是，需要 的元件很少。从而使得装配成本低，可靠性高和占空间少，并且通过软件开发。 可以简化和减轻微处理器的负担。另外，l 2 9 7 和l 2 9 8 都是独立的芯片。所以应 用是十分灵活。 l 2 9 7 芯片是一种硬件环形分配集成芯片。它可产生四相驱动信号，用于控 制的两相双极或四相单极步进电机。它的心脏部分是一组译码器它能产生各种 所需的相序。这一部分是由两种输入模式控制，方向控制( c w c c w ) 和 h a l f f u l l 以及步进式时钟c l o c k 。它将译码器从一阶梯推进至另一阶梯。 l o 第章色选机卡控制系统设计 译码器有四个输出点连接到输出逻辑部分，提供抑制和斩波功能所需的相序。因 此l 2 9 7 能产生三种相序信号，对应于两种不同的工作方式：即半步方式( h a l f s t e p ) 、基本步距方式( f u l ls t e p ) 。脉冲分配器内部是一个3 b i t 可逆计数器， 加上一些组合逻辑。产生每周期8 步格雷码时序信号，这也就是半步工作方式的 时序信号。此时h a l f f u l l 信号为高电。若h a l f f u l l 取低电平，得到基本 步距工作方式，即双四拍全阶梯工作方式。 l 2 9 8 芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准t t l 逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进 电动机。具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连 接在一起的，相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使 逻辑能在低电压下工作。l 2 9 8 芯片是具有1 5 个引出脚的多瓦数直插式封装的集 成芯片t 1 6 】。在硬件电路设计中，l 2 9 8 的o u t l 、o u t 2 、o u t 3 和o u t 4 四个管 脚分别接步进电机的2 相；l 2 9 7 的方向控制( c w c c w ) 和h a l f f u l l 以及 步进式时钟( c l o c k ) 管脚全部接入单片机。通过单片机来控制其正反转、半 整步、步数。步进电机驱动电路图3 5 如示。 图3 5 步进电机驱动电路 天津t 、世人学硕十学位论文 3 2 主控制系统软件设计 3 2 1g c o s i i 介绍 主控制系统软件上我们选择了嵌入式实时操作系统i t c o s i i ，经过实际测试 和应用达到了我们最终的设计要求。 i - l c o s i i 是著名的源代码公开的实时内核，是一个完整的，可移植、可固化、 可裁剪、可剥夺性的占先式实时多任务内核。系统的稳定性和可靠性满足苛刻的 工业设计要求，为了表明“c o s i i 具有足够的安全性与稳定性，能用于与人性 命攸关的、安全性条件极为苛刻的系统，p c o s i i 的每一种功能、每一个函数及 每一行代码都经过了严格的考验和测试，本主控系统采用了得到美国联邦航空管 理局的标准认证的2 5 2 版本。i u c o s i i 是用a n s ic 编写的，包含- - d , 部分与微 处理器类型相关的汇编语言代码，使之可供不同架构的微处理器使用。p c o s i i 的实际对象是嵌入式系统，并且很容易移植到不同架构的微处理器上。 p c o s i i 为可剥夺性内核，内部以任务的形式存在的。任务通常是一个无限 循环，但是当任务完成后，任务可以自我删除。肛c o s i i 可以管理多达6 4 个任 务，但是p c o s i i 的作者建议用户不要使用优先级为0 ，l ，2 ，3 的任务，以及 优先级为o sl o w e s tp r i o 3 ，o sl o w e s tp r i o - 2 ，o sl o w e s tp r i o l 和o sl o w e s tp r i o 的任务，因为在未来的i t c o s i i 版本中可能会用到这些 任务。因此，如果遵循作者的建议，不使用以上优先级最高的4 个任务和优先级 最低的4 个任务，则用户最多可以有5 6 个自己的任务。 i t c o s i i 定义了任务的5 种状态。分别为睡眠态、就绪态、运行态、等待状 态、中断服务状态。下面对几种状念做一下简单的介绍。 睡眠态( d o r m a n t ) 指任务驻留在程序空间，还没有交给i t c o s i i 来管理。 就绪态( r e a d y ) 任务一旦建立，这个任务就进入了就绪态，准备 运行。 运行态( r u n n i n g ) 调用o s s t a r t 0 可以启动多任务。 等待状态( w a i t i n g ) 正在运行的任务可以通过调用以下2 个函数 o s t i m e d l y 0 或o s t i m e d l y h m s m 0 ，将自身延迟一段时间。这个任务于是进入 等待状态，一直到函数中定义的延迟时间到。 中断服务态( i s r ) 正在运行的任务是可以被中断的，除非该任务将 中断关闭，或者l a c o s i i 将中断关闭。被中断了的任务于是进入了中断服务态。 响应中断时，正在执行的任务被挂起，中断服务子程序得到了c p u 的使用权【l7 1 。 1 2 第章色选机t 控制系统设计 3 2 2g c o s i i 移植与应用 我们要使用操作系统，首先就必须把操作系统移植到我们的硬件平台上，做 了大量的实验验证后成功把g c o s i i 系统移植到c 8 0 5 1 f 0 4 0 上。要移植 i t c o s i i ，处理器必须满足以下几个条件：编译器能够产生可重入性代码；处理 器支持中断，并且能够产生定时中断；使用c 语言可以开关中断；处理器能够 支持一定数量的数据堆栈；处理器有将堆栈指针和其他c p u 寄存器内容读出、 并存储到堆栈或内存中去的指令。经过查找c 8 0 5 1 f 0 4 0 数据手册和k e i l 编译器 手册完全满足g c o s i i 操作系统的移植要求，所以我们进行了g c o s i i 操作系 统的移植。i _ l c o s i i 操作系统的移植主要移植三个文件o sc p u h 、 o sc p uc c 、o sc p ua a s m 。在这三个文件中，o sc p u h 文件中主要宏 定义了与处理器相关的数据结构，定义了堆栈的增长方向( o ss t kg r o w e h ) ， 定义了中断指令，任务切换代码( o st a s ks w ( ) ) 。o sc p uc c 文件中主 要定义了任务堆栈初始化函数( o s t a s k s t k i n i t 0 ) 。在o cc p ua a s m 文件中 主要定义了任务切换函数和中断切换函数，时钟节拍函数，明白这些后，我们开 始着手做系统的移植了。 肛c o s i i 在c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机与传统5 1 单片机上的移植基本相同，编译器 选择k e i l 编译器。具体实现过程如下。 ( 1 ) 改写o sc p u h 文件。根据k e i l 编译器和单片机的资源情况我们定 义了系统需要使用的数据结构。在开关中断的宏定义中，我们定义e a = 0 关中断， e a = i 开中断，这样定义即减少了程序行数又避免了退出临界区后关中断造成的 死机，根据c 8 0 5 1 f 0 4 0 结构我们定义o ss t kg r o w t h 定义为0 ( 堆栈增长 方向向上) 。因为c 8 0 5 1 f 0 4 0 中没有软中断指令，所以我们用r e t i 代替。总之 对于入栈子程序调用与中断调用效果是一样的可以混用，在没有中断发生的情况 下复位中断系统也不会影响系统的正常运行。 ( 2 ) 改写o sc p uc c 文件。t c b 结构体中o s t c b s t k p t r 总是指向用户 堆栈最低地址，该地址空间内存放用户堆栈长度，其上空间存放系统堆栈映像， 即用户堆栈空间大小= 系统堆栈空间大d x + l s p ，总是先加l 再存数据，因此s p 初 始时指向系统堆栈起始地址( o s s t a c k ) 减1 处。系统堆栈存储空间大小 = s p o s s t k s t a r t 。任务切换时先保存当前任务堆栈内容方法是用s p o s s t k s t a r t 得 出保存字节数将其写入用户堆栈最低地址内。以用户堆栈最低地址为起址，以 o s s t k s t a r t 为系统堆栈起址，由系统栈向用户栈拷贝数据，循环s p o s s t k s t a r t 次，每次拷贝前先将各自栈指针增1 。其次恢复最高优先级任务系统堆栈方法是 获得最高优先级任务用户堆栈最低地址，从中取出长度，以最高优先级任务用户 堆栈最低地址为起址，以o s s t k s t a r t 为系统堆栈起址由用户栈向系统栈拷贝数 天汴t 、i p 人学硕十学何论文 据，循环长度数值指示的次数每次拷贝前先将各自栈指针增l 。用户堆栈初始化 时从下向上依次保存用户堆栈长度1 5 字节( p c l 、p c h 、p s w 、a c c 、b 、d p l 、 d p h 、r 0 、r 1 、r 2 、r 3 、r 4 、r 5 、r 6 、r 7 ) ，不保存s p 。任务切换时根据用 户堆栈长度计算得出。o s t a s k s t k i n i t 函数总是返回用户栈最低地址。操作系统 t i c k 时钟我使用了c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机的t o 定时器。 ( 3 ) 改写o sc p ua a s m 。在该汇编文件中不需要做太多的修改，只需要 简单的修改几个函数就可以了。这里不做具体说明【l 引。 经过反复的试验论证最终把 t c o s i i 操作系统成功移植到c 8 0 5 1 f 0 4 0 上。 操作系统成功移植以后，我们在主控中剩下的任务就编写驱动程序和应用代码。 由于主控制系统的功能和硬件资源基本已确定。经过一周左右的时间，我们成功 的完成了主控制系统上所用到的所有硬件的驱动程序。根据操作系统特性我们对 硬件资源进行了合理分配。 因为每个任务都需要相应的内存堆栈空间，结合c 8 0 5 1 f 0 4 0 硬件资源，我 们对每个任务划分了不同的堆栈空间，具体数据如下： 系统初始化任务堆栈大小t a s k i n t s t a c k 8 0 】。 触摸屏发送任务堆栈大小h m i s e n d m c u s t a c k 3 5 0 。 主控通讯接收任务堆栈大小m c u s e n d h m i s t a c k 15 0 】。 触摸屏接收任务堆栈大小m o d b u s r e c e i v e s t a c k 8 0 】。 主控通讯发送任务堆栈大小m o d b u s s e n d s t a c k 3 0 0 】。 系统电磁阀自检任务堆栈大小z i j i a n s t a c k 1 0 0 】。 系统关闭任务堆栈大小g u a n b i s t a c k 8 0 。 这样划分，主控系统硬件资源不仅得到最大