（信号与信息处理专业论文）微波源烟条重量控制系统的设计.pdf

j 堕一l l i m 1 1 1 i l i l l l l l i i i l l i i i l l l i 删删 摘要 y 2 0 6 8 5 16 卷烟机烟支重量自动检测控制系统是卷烟机组电气控制系统的重要组成部 分，是应用于高速卷烟机组的烟支紧头位置和重量实时在线测量的控制系统，它 对于保证生产合格重量的烟支、降低烟丝消耗具有重要作用。 本文在深入分析烟条重量控制系统发展现状的基础上，研究微波源烟条重量 控制系统的设计原理及其实现方法，为研制环保、高效的烟条重量控制系统提供 了新的解决方案。本系统采用t i 公司的d s p 芯片刚s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为中央处理器， t e m 公司的f p g a 芯片e p 3 c 1 6 作为协处理器，对烟支的重量进行实时检测和控制， 同时对烟支的紧头进行跟踪和控制。内部总线采用p r o f i b u s d p 协议与上位机通信， 提高了通信速率以及上位机数据的更新速率。通过实验证明，本系统在各方面的 性能基本达到设计的要求，比目前的烟条重量控制系统精度更高、速度更快、性 能更加稳定。 关键词l1 m s 3 2 0 f 2 8l2p r o f i b u s d p 重量控制紧头跟踪 a b s t 陋c t 3 a b s t r a c t t h ew e i g h tc o m r o ls y s t e mf o rc i g a r e t t em a k e ri s 趾i i i 驴r t a n tp a r to ft l l ee l e c t r i c a l c o n n o l s y s t e m so fc i g a r e 仕e m a k e r a sac o 曲的ls y s t e mf o rw e i g h tc o 蛐的la n d t i 曲t 1 1 e s s 删u s t i n go fm ec i g 枨渺e ，i tp l a y s 纽i l l l p o r t a n tr o l ei np r o d u c i n ge l 酒b l e c i g a r e 位e 锄dr e d u c i n gt l l ew a s t eo ft o b a c c ol e a b a s e do nt ：h ei 1 1 一d e p 也a 1 1 a l y s i so ft l l ed e v e l o p m e n to fw e i g h tc o n t r o ls y s t e m ，t l l i s p a p e rh a sm a d ear e s e a r c ho nd e s i 印p 血c i p l ea n di l l l p l e m e n t a t i o nm e t h o do fi t ，a 1 1 d p r o v i d ea n e ws o l u t i o nf o r 恤r e s e 砌o fe n v i r o 眦e n t 衔e n d l y l l i g l l l ye 伍c i e n tw c i 咖 c o n 臼ls y s t e m s b 弱e do nt m s 3 2 0 l f 2 812 ，o n eo f1 r i sd s p c l l i p su s e da st l l ec e n 仃o l p r o c e s s i i l gu i l i t ，a n de p 3 c l6l l s e d 部c o p r o c e s s o r ，n l i ss y s t e mc 觚d e t e c ta n dc o n t r o lt h e c 迳a r e t t ew e i g h ti i l s t 锄t a n e o u s l y ，c i g a r e 牡et i 曲t 1 1 e s s a d j u s t i i 培a l s o i l l c l u d e d t h e i n t e m a lb 惦l l s i i l gp r o f i b u s d pp r o t o c o lt 0c o m m u i l i ca ：t e 谢t 1 1t 1 1 eu p p e rc o m p u t e r ，t l l i s s y s t e mh 嬲i i l l p r 0 v e d t h ed a t at r a i l s m i t t a lr a t e 觚dt h ed a t au p 删n gr a t e n e e x p e d m e n t sh a v ep r 0 v e dt 1 1 a tt 1 1 i ss y s t e mp e r f 0 册a i l c ei nv a r i o u sa s p e c t sm e e t st 1 1 e d e s i g n 陀q 咖m e n t si l lm e m a i na n d c o m p a r e dw i 廿ln l ep r e s e n tw e i g h tc o m r o ls y s t e i 玛 t l l i ss y s t 锄h 硒i i l l p r 0 v e dt b ew e i g h tc o n t r o lp r e c i s i o n ，w 西g h tc o m r o ls p e e da i l dt l l e s y s t e m 虹b i l i 锣o b v i o u s l y k e y w o r d ：t m s 3 2 0 f 2 8 l2p m 助u s d p w e i g h tc o n 仃0 lt i g l l 协e s s 碉l l s 血g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 烟条重量控制系统发展动态 烟条重量控制系统是卷烟机的重要组成部分，第一台卷烟机产生的时候它就 已经存在。最早的卷烟机出现于1 9 世纪6 0 年代，如l 苏西尼发明的机器，曾在1 8 6 7 年的巴黎博览会上展出。它先将烟纸卷成空管，然后填充烟丝。早期卷烟机烟丝 的重量控制仅依靠供丝部分烟丝箱进行，定量精度不高，而且当卷烟机速度 提高时，烟条内烟丝分布的均匀性明显恶化。 2 0 世纪5 0 年代中期，卷烟机速度仅每分钟1 2 0 0 1 3 0 0 支，烟支的重量标准偏 差大约为平均重量的6 8 。1 9 4 8 年出现了关于平准器的专利，为新的烟支重量 控制系统的出现起了推动作用。1 9 5 6 年又出现了吸丝成型的方法。英国莫林公司 根据这一原理设计的卷烟机，使卷烟工业翻开了新的篇章，标志着大规模机械化 卷烟的开始。如莫林m k 8 卷烟机在6 0 年代初卷烟产量每分钟超过了2 0 0 0 支，7 0 年 代初每分钟超过了4 0 0 0 支，8 0 年代已达到每分钟8 0 0 0 1 0 0 0 0 支，烟支的重量标准 偏差降低到平均重量的2 2 5 。 8 0 年代后，随着科学技术的发展，计算机技术被广泛采用，卷烟机自身的多 种检测控制装置的功能越来越强，自动化程度不断提高，卷烟速度迅速提高，卷 烟效率至此也随着猛增，涌现了一大批先进的高速卷烟机：英国莫林斯公司设计 的o 以l v e 卷烟机；德国虹霓公司设计的p l 的1 o s m 卷烟机；意大利g d 公司设计的 1 2 l p 型卷烟机。这些高速卷烟机的烟条重量控制系统采用先进的电控设备，极大 地提高了卷烟速度，平均每分钟1 2 0 0 0 1 6 0 0 0 支烟，而烟支的重量标准偏差降低到 平均重量的3 5 。尤其是g d 公司的1 2 1 p 型卷烟机，2 0 0 3 年在巴塞罗那烟草展上 首次露面，卷烟速度达到2 0 0 0 0 支分，比当时速度最高的卷烟机提高约2 5 。另外 采用先进的微波探头能快速无损的在线监测出烟条密度的微小变化，工作性能稳 定，温漂、时移极小。同时微波对人体及工作场地无任何伤害及污染。 目前国内高速卷烟机普遍采用以s r 9 0 放射源为检测探头的烟支重量自动检测 控制系统。但使用核检测探头需专业人员维护，存在潜在的职业健康和安全隐患， 核源存在自然衰减，一段时间后需要调整信号放大倍数，导致信号噪声增大，降低测 量准确性。核源衰减到一定程度时必须报废，对环境造成危害【l 】。另外国内的高速 卷烟机主要是引进国外旧式产品，或者在旧式卷烟机的基础上进行改造，其速度 和性能勉强达到现代生产的标准，不过和国外卷烟机相比有很大差距，平均生产 速度为每分钟7 0 0 0 1 0 0 0 0 支烟，烟支剔除率也相对较高。虽然国内已经有几家卷 2 微波源烟条重量控制系统的设计 烟机控制系统制造厂，但是但总的来说，还没有形成真正的产业，推出的产品不 多，市场占有率也很低。 1 2 研究背景及意义 烟条重量控制系统是卷烟机的核心组成部分，应用于高速卷烟机组的烟支重 量的实时在线测量，并对烟支紧头进行自动跟踪。本系统对于保证生产合格重量 的烟支、降低烟丝消耗具有重要作用。同时本系统性能的好坏直接决定着卷烟机 烟支检测速度和烟支剔除率。因此卷烟机的更新升级过程中，除了在机械上的改 造外，对烟支重量控制系统的改进也是非常重要的。 目前国内各大卷烟厂应用的高速卷烟机很多是在国外旧式卷烟机的基础上改 造而来，也引进少数国外先进卷烟机，但总体性能和技术指标勉强达到现代生产 的标准。随着人们对烟支需求量的上升，国内烟草行业对烟支生产效率提出了更 高的要求。因此为了更好的满足国内烟草行业的要求，必需研发出比较高效的、 精确的烟条重量控制系统。 另外国家正在施行工业环保计划，实现可持续发展，逐渐减少并改造环境污 染大的产业，积极发展环保技术和环保产业。目前，各种高速卷烟机组的烟条重 量控制系统，主要都是使用锶9 0 放射源作为探头。锶9 0 放射源属于放射性物质， 无论卷接机组是否有电，放射性始终存在，对周围人员构成长时间潜在危害，同 时，按照国家放射性污染物质保护法，放射源探头的检修和维护需要由专门的机 构和人员来进行，检修、维护费用昂贵，给烟厂带来了极大的不便。而新兴的微 波源探头工作性能稳定，温漂、时移极小，同时微波对人体及工作场地无任何伤 害及污染，正好迎合这一需要。 本文对微波源烟条重量控制系统的原理及实现方法进行了探索和研究，为研 发环保型、高效型烟条重量控制系统提供基础，具有重要的理论意义和实际应用 价值。 1 3 论文工作及内容安排 本课题是在深入分析烟条重量控制系统发展现状的基础上，研究微波源烟条重 量控制系统的设计原理及其实现方法，研制基于微波源的烟条重量控制试验平台， 为开发高效率的、工业标准的烟条重量控制系统奠定基础。本文主要的研究内容 如下： ( 1 ) 系统总体设计：根据课题要求设计出满足系统技术指标的烟条重量控制系 统，包括系统的组成、原理以及框图。 第一章绪论 3 ( 2 ) 系统硬件设计：根据课题要求设计系统的硬件结构，包括重量信号数据采 集电路设计、重量信号数据处理电路设计、外围驱动电路设计和通信接口电路设 计四个部分。 ( 3 ) 系统软件设计：系统软件设计包含软件核心算法，包括编程实现重量控制 算法、紧头跟踪算法、统计数据处理计算、外围电路驱动程序和电机控制算法设 计。 4 微波源烟条重量控制系统的设计 第二章烟条重量控制原理 第二章烟条重量控制原理 2 1 重量控制系统的结构 5 整个烟机控制系统包括重量控制系统、质量控制系统、通信系统、供电系统、 工业控制机、机械部分。重量控制系统在整个卷接机组中的结构如图2 1 所示， 重量控制系统的输入信号主要由两部分组成：微波源探头输出的烟支密度信号和 上位机传送的控制参数。输出信号主要由三部分组成：控制电机的脉冲信号、控 制剔除阀的电平信号和上位机显示的统计数据。 v g a 显 示器l v g a 显 示器2 电源板 微波探头 i ，o 驱 动板 继电 器板 电机 剔除阀 图2 1 重量控制系统在卷接机组中的结构图 烟条重量控制系统从功能上分为三个部分：重量控制、紧头跟踪和剔除及电机 控制。重量控制过程和紧头控制过程是一个先检测然后控制的过程，控制本身是 一个滞后过程【2 】。目前是根据当前一段烟的检测数据，控制下一段烟的重量以及紧 头位置。剔除采样过程也是预先收到系统发送的剔除信号，然后根据设定延迟时 间，准确剔除残缺烟支。重量控制系统与外部接口电路构成的整体结构如图2 2 所 示，其基本工作原理： ( 1 ) 系统上电后，首先由工控机将重量控制系统必需的参数通过p r o f i b u s 总 线或串口，发送给重量控制系统。 ( 2 ) 系统开始工作，微波源探头将检测到的烟条密度信号送往重量控制系统； 同时电机轴编码器将脉冲编码信号( 增量脉冲、指示脉冲) 送往重量控制系统；位移 鳢洲板 詈躲警 6 微波源烟条重量控制系统的设计 传感器将探测到的电机位移信号也送往重量控制系统。 ( 3 ) 重量控制系统在增量脉冲和指示脉冲的指示下，对烟丝密度信号进行去 噪、采集，并进行控制运算和大量的统计运算。同时根据计算的结果送出控制信 号及数据信息。 ( 4 ) 剔除阀、紧头电机、劈刀电机和p l c 接受控制信号开始工作；工控机接受 大量统计数据，并送给界面显示。 匡 皴 叵 雠 e 堕卜控制 匝 嚣票 剔除阀 重 j 曼 紧头电机 亘 控 制 系 劈刀电机 统 p l c 图2 2 重量控制系统整体结构框图 2 2 重量控制系统的算法思想 由重量控制系统的整体结构图2 2 可以看出，该系统的外围接口简单，但是系 统的运算量很大，涉及微波源扫描器模型、劈刀电机控制模型、紧头电机控制模 型、烟丝分布模型等，同时又需要进行大量的统计计算【3 】。因此系统设计时，采用 了双处理器结构，一个处理器是数字信号处理器1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，主要完成烟支重 量的计算、烟丝曲线的生成、紧头位置的计算、劈刀电机的控制、紧头电机的控 制、故障烟支的判断和剔除，另一个处理器是e p 3 c 1 6 ，主要完成与上位机之间的 数据接收和发送以及外围器件驱动程序的实现。 本系统主要采用过采样算法、循环队列算法、延时算法相结合的方式，即能精 确的得到采样数据，又能够完成大量复杂的统计运算，并且能够很好的满足系统 实时性的要求。本系统对一支双烟( 卷烟机闸刀一次切下首尾相连的两只烟) 进行 2 5 6 次采样，采样点数远远大于目前的2 肛1 2 8 次采样，极大的提高了数据和控制 的准确性。 2 2 1 过采样算法 过采样是使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。设信号 原来的采样频率为f s ，若将采样频率提高到r ，i f s ，r 称为过采样比率，并且r 1 。 第二章烟条重量控制原理 7 在这种采样的数字信号中，由于量化比特数没有改变，故总的量化噪声功率也不 变，但这时量化噪声的频谱分布发生了变化，即将原来均匀分布在0 f 妮频带内 的量化噪声分散到了o r 宰f 妮的频带上。这使得量化噪声大部分分布在音频频带 之外的高频区域，而分布在音频频带之内的量化噪声就会相应的减少，于是，通 过低通滤波器滤掉f m 以上的噪声分量，就可以提高系统的信噪比和提高a ，d 转换 器的精度【4 l 。模拟电压上的干扰和a d 转换的误差一般可认为都是均值为零的、 平稳的、各态遍历的随机过程，采用多次取样取平均可以使这些随机干扰均值为o ， 算术平均滤波算法可以很好地满足这一要求。 一支双烟有2 5 6 个采样点，对每个采样点又进行8 次采样，并对8 次采样结果 进行平均滤波之后，作为每个采样点的数据【3 j 。这样极大减少了a d c 转换中数据 的随机性和不确定性，提高了信号的信噪比，另一方面提高了a d c 采样精度。 过采样算法可行性分析：1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的1 5 0 m i p s 的执行速度使得指令周期 缩短至6 6 7 n s ，外部1 2 位的a d 转换器，最小转换时间为1 u s 。按每分钟8 0 0 0 支 烟，每支烟1 2 8 个采样点，每个采样点进行1 2 次过采样，那么每次采样的时间为 t = 6 0 1 0 0 0 0 1 2 8 8 5 8 6 u s ，远远满足系统设计的要求。 2 2 2 循环队列算法 将采样得到的一系列数据按照时间的先后保存起来，一边对以前保存的数据进 行处理，一边接收新的数据。当新的数据到来时，将以前处理过的数据覆盖( 或 丢弃) 。 气 循环队列算法可行性分析：一个e c p 脉冲包含2 5 6 个增量脉冲，对一支双烟 采样2 5 6 点，定义一个长度为2 5 6 的静态数组空间来存储这些数据，每个2 5 6 个 增量脉冲覆盖一次。每一个增量脉冲保存一个采样数据，同时处理上一个增量脉 冲保存的采样数据，这样等到第2 5 6 个增量脉冲结束时，前面的2 5 5 个数据都经 过处理了，为了计算方便在第2 5 6 个增量脉冲加入了对本次数据的处理。下一个 e c p 的第一个增量到来时，将会覆盖上一个e c p 脉冲中的第一个采样点数据。以 此循环往复，处理数据并更新数据，满足系统实时性要求。 2 2 3 电机控制p i d 算法 在过程控制中，按偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 进行控制的p i d 控制器( 亦称p i d 调节器) 是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单、 易于实现、适用面广，控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。本系统 采用p d 增量控制算法控制劈刀电机和紧头电机，使之到达合适的位置。具体过 8 微波源烟条重量控制系统的设计 程如下：利用高速d s p 运动控制器与反馈信号组成闭环控制系统，d s p 发送p w m 波与方向信号控制直流私服电机的转速。通过速度反馈，d s p 可实时读取当前速 度，利用d s p 中的控制程序根据速度读数控制p w m 的占空比，从而实现闭环控 制。在此基础上根据控制参数设定电机的加电时间，控制电机的转动距离，使得 电机到达合适的位置。 2 3 本章小结 本章从总体上介绍了烟条重量控制设计的原理。首先介绍了整个卷烟机控制 系统的结构特点，包括：通信系统、质量控制系统、重量控制系统、i o 驱动、继 电器组、工业控制计算机。然后分析了重量控制系统在整个卷烟机中的位置和重 要作用，重量控制系统与其他部分的通信及控制关系，进而介绍了重量控制系统 的外部接口及其作用。这样从原理上分析了重量控制系统的硬件结构和工作流程。 接着从软件方面介绍了重量控制系统的功能实现。软件部分包括烟支重量的计算、 烟丝曲线的生成、紧头位置的计算、劈刀电机的控制、紧头电机的控制、故障烟 支的判断和剔除，涉及的计算比较繁杂，因此软件方面采取了过采样算法、循环 队列算法相结合的方式处理大量数据计算，同时采用p i d 增量算法控制卷烟电机 匀速运动。 第三章烟条重量控制系统硬件设计 9 第三章烟条重量控制系统硬件设计 烟条重量控制系统位于一个工控机箱内，和其他卷烟组子系统通过公用总线来 相互通信。各个子系统之间的任务调度由统一的工业控制计算机来完成。因此重量 控制系统的硬件设计不仅要满足本身的需求，还需要考虑与周围系统的兼容性。 3 1 系统组成及工作原理 烟条重量控制系统的硬件结构按功能分为以下五个部分：微波重量扫描器( 微 波源探头) 、重量信号数据采集、重量信号数据处理、f p g a 逻辑电路和通信接口。 其中微波重量扫面器不是本系统研究设计的范围，但它是重量控制系统的重要组成 部分，有着不可替代的作用。因此也需要对微波重量扫描器做详细介绍。根据课题 要求设计系统的硬件结构，重量控制系统的硬件结构如图3 1 所示： ( 1 ) 微波重量扫描器，用来探测烟丝，并将烟丝的密度信号送给重量信号采集 模块。 ( 2 ) 重量信号数据采集部分由信号调理模块和a d c 采样模块组成。信号调理模 块将烟丝密度信号调整到a d c 采样的电压范围之内，同时滤除杂波信号。a d c 转 换器对调理后的信号进行采集，送往数据处理模块。 ( 3 ) 重量信号数据处理部分由数字信号处理器刑s 3 2 0 f 2 8 1 2 以及外围部分 s 洲和f l a s h 组成。主要完成烟支重量的计算、烟丝曲线的生成、紧头位置的 计算、大量统计数据的计算、劈刀电机的控制、紧头电机的控制、故障烟支的判断。 ( 4 ) f p g a 逻辑电路主要通过v e r i l o g 玎) l 语言编程实现，包括a d c 采样芯片 驱动，串口协议，d s p 接口电路；同时e p 3 c 1 6 对进入其中的数据进行辅助计算。 ( 5 ) 通信接口部分包括控制信号传送和数据通信两部分。控制信号直接发送到 电磁阀、电机的驱动电路。数据信号通过p r o f i b u s 总线与工控机进行信息交互。 1 0 微波源烟条重量控制系统的设计 图3 1 重量控制系统硬件结构图 3 2 微波源重量探测仪 微波是一种无线电波，它的频率范围在3 0 0 m h z 3 0 0 0 g h z 之间。在现代科学 技术中，微波技术取得了突飞猛进的发展，其应用领域非常广泛，在雷达、通讯、 医学、家用电器等领域都有它的影子。将微波技术用于卷烟机制造行业是一种新的 尝试，这种创新对卷烟机制造业有着重要的推动作用5 1 。下面简要介绍一下本系统 用到的微波源重量扫描器。 3 2 1 微波源重量扫描仪的工作原理 微波重量扫描仪的组成部分主要包括微波信号源、隔离器、微波传输器、检波 器、放大器、控温器，具有抗震性强，结构合理，安装及维修方便等优点。烟条通 过微波电磁场时，其密度的不同，使微波电磁场能量发生变化，从而检测出烟条密 度。微波重量扫描仪利用这一点将烟条密度值变化成对应的电压值。由于微波信号 频率高，对材料密度的反应极其敏感，因此能快速、无损的在线监测出烟条密度的 微小变化【5 】。其工作性能稳定，温漂、湿漂很小。 3 2 2 微波源重量扫描仪的技术指标【5 】 微波重量扫描仪功率极小，对人体及工作场地无任何伤害及污染，属环保型检 测设备，在很多性能指标上都超过了核扫描器。其主要技术指标如下： 第三章烟条重量控制系统硬件设计 ( 1 ) 适用卷烟速度：1 5 0 0 0 支分钟 ( 2 ) 密度测量范围：o 0 6 9 c m 3 ( 烟支密度约为0 2 5 左右) ( 3 ) 烟支直径范围： 6 4 9 0 8 n 啦 ( 4 ) 输出脉冲信号状态：脉宽为4 0 u s 1 0 ，幅度大于1 2 v 的正极性脉冲 ( 5 ) 响应时间：快门动作时间 1 0 m s ，电路响应时间 1 0 0 u s ( 6 ) 短期稳定性：当扫描器稳定后，每5 分钟间隔，侧任意两次快门开启状态 下的输出脉冲频率值，差值2 h z ( 7 ) 长期稳定性：将模拟烟条棒插入烟道管内，开机3 0 分钟后，打开快门，2 4 时内扫描器输出频率的变化率1 ，变化率= ( 输出频率输出频率的平均 值) 输出频率的平均值 ( 8 ) 内部恒定温度：5 0 2 ( 9 ) 工作电源要求：直流1 5 v ，o 2 a ，精度1 ( 1 0 ) 输出脉冲周期如表3 1 所示： 表3 1 微波重量扫描仪输出脉冲参数 工作最小值典型值 最大值 状态周期低电平宽度 周期( u s ) 低电平宽度周期低电平宽度 ( u s )( 哟( u s )( u s )( u s ) 快门 6 0 05 6 06 1 25 7 26 2 35 8 3 开启 快门 1 1 3 01 0 9 01 2 0 01 1 6 01 2 7 01 2 3 0 关闭 o 6 测 8 9 58 5 59 1 28 7 29 3 28 9 2 试棒 1 8 测1 3 2 81 2 8 81 3 6 81 3 2 8 1 4 0 81 3 6 8 试棒 3 3 重量信号数据采集 重量信号数据采集模块首先对烟丝密度信号进行去噪，同时将密度信号电压值 调理到a d c 输入电压范围之内，再对其采样。本电路分为两个部分：信号调理模块 和信号采集模块。信号调理模块有二级运算放大器构成，主芯片为t i 公司精密运 算放大器o p a 2 2 7 。信号采集模块采用t i 公司的a d c 7 8 8 6 。 1 2 微波源烟条重量控制系统的设计 3 3 1 信号调理模块 0 p a 2 2 7 是t i 公司推出的一款低噪声，高带宽，精密型双电源供电放大器。此 放大器针对驱动逐次逼进性a d c 做了优化，提供精确的共模态抑制比，无交越互 补输出级，并具有宽泛的电压范围。可用作a d c 驱动器，d a c 输出缓冲器以及有 源滤波器，其主要技术指标如下【6 】： ( 1 ) 输入电压范围：2 5 v 1 8 v ，该指标反映放大器输入端能承受的最大电 压差。 ( 2 ) 带宽：8 m h z ，带宽指运放开环电压电压增益下降到直流增益的o 7 0 7 倍 ( 一3 d b ) 时所对应的频带宽度，用b w 表示，该指标反映放大器的所适用的信号频率 的范围。 ( 3 ) 转换数率( 压摆率) ：2 3 v u s ，压摆率指运放在额定输出电压下，输入电压 lj i 的最大变化率，即& = i 华l( s r 表示压摆率) ，该指标反映运放对于高速输入信号 l 讲l 硼。 的响应情况【刀。 ( 4 ) 共模抑制比：1 2 0 d b ，共模抑制比指运放差模电压放大倍数与共模电压放 大倍数之比的绝对值，该指标反映运放对噪声的抑制程度。 ( 5 ) 电源电压抑制比：0 5 u v ，电源电压抑制比指失调电压的变化量与电源电 压变化量的比值，即删= 等誓( p s r r 表示电源电压抑制比_ 该指标反映运放 乜 对噪声的抑制程度【引。 ( 6 ) 输入偏移电压：0 1u v ，该指标反映了运放输入电压虽温度漂移情况。 o p a 2 2 7 的上述优良指标满足本系统的设计需求，下面结合系统中的信号对其 可行性进行分析： ( 1 ) 烟支密度电压信号频率：每分种8 0 0 0 支烟对应4 0 0 0 个密度曲线信号，每 支烟需要2 5 6 采样点，对每个点进行8 点过采样。为了保留信号的细节，计算出信 号的最高频率为5 0 0 0 2 5 6 幸8 6 0 = 1 7 0 6 舷，即运放带宽要高于信号带宽的1 0 倍以 上，运放带宽要大于1 5 m 。 ( 2 ) 烟支密度电压信号范围：微波探头的输出电压为1 2 v 1 2 v ，即运放输入电 压范围至少要包括1 2 v 1 2 v 。 ( 3 ) 烟支密度电压信号变化率：通过计算，烟条采样间隔为7u s ，即在7u s 内 要能够承受1 l v 电压的变化，因此s r 应该大于1 5 7 v u s 。 利用o p a 2 2 7 设计的信号调理电路同时具备滤波和电压变换的功能，如图3 3 所示，由两级运放构成。其中第一级运放起滤波作用，利用f i l t e rs o l u t i o n 设计一阶 巴特沃斯低通滤波器；第二级运放起电压变化作用，合理选择精密电阻，设计同向 第三章烟条重量控制系统硬件设计 比例放大器。 图3 3 信号调理电路结构图 利用m u l t i s i m 2 0 0 1 对本系统设计的一阶巴特沃斯低通滤波器的特性进行仿真分 析，如图3 4 所示。从幅值频率特性的波特图可以看出，它的截止频率在2 0 0 屯 左右。 v c c 1 4 微波源烟条重量控制系统的设计 3 3 2a d 转换模块 a d s 7 8 8 6 是t i 公司推出的中等采样速率，中高分辨率的逐次逼近型a ，d 转换 器，主要应用与工业流程控制、数据采集系统、医学仪器、仪器仪表及数字信号处 理，其技术参数如下【8 】： ( 1 ) 采样速率：指刖d 转换器每秒钟采样的点数；a d s 7 8 8 6 最大采样速率为 lm s p s ( s p s 表示每秒钟采样点数) 。 ( 2 ) 分辨率：指丸，d 转换器采样的数据宽度，数据宽度越大，分辨率越大，精 度越高；a d s 7 8 8 6 采样数据宽度为1 2 位。 ( 3 ) 输入电压范围：o v r e f ，其中v r e f 是a d s 7 8 8 6 的输入参考电压，等于供 电电压，在2 3 5 v 一5 2 5 v 之间。 根据实际计算a d s 7 8 8 6 的技术参数满足本系统的设计指标，下面结合系统中 的信号对其可行性进行分析： ( 1 ) 烟支重量误差允许最大范围为5 ，每支烟重量约为9 6 0 m g ，最大误差重 量为5 m g 。a d s 7 8 8 6 采样数据位1 2 位，烟支重量采样精度可达到0 4 7 m g 。同时 采用8 次过采样，可以更进一步提高采样的精度。 ( 2 ) 烟支的生产速率为1 0 0 0 0 支分钟，对每支烟取1 2 8 个采样点，每一个采样 点都是8 次过采样后的结果，通过计算需要a d 转换器的最低采样速率为 1 7 0 6 k s p s 。a d s 7 8 8 6 最大采样速率为1 m s p s ，远远大于系统指标需求。本系统中 设置其输入时钟为1 0 m h z 。 ( 3 ) 烟丝密度信号经过二级运放调理后，最大电压为3 3 v ，在a d s 7 8 8 6 输入 电压范围之内。 a d s 7 8 8 6 转换电路设计比较简单，参照数据手册选择合适的供电电压及滤波电 容，如图3 5 所示。图中v d d 既是供电电源，又是输入参考电压v r e f 。c s 为片选 信号，低电平有效。s c l k 为输入时钟信号，最大输入时钟为2 0 m h z 。s d o 是采 样数据输出信号。f p g a 控制c s 、s c l k 、s d o 这三个信号，使a d 能正常工作。 v i n 是输入模拟信号，接信号调理电路的输出端。 图3 5a d s 7 勰6 转换电路设计 第三章烟条重量控制系统硬件设计 1 5 a d s 7 8 8 6 有两种工作方式：正常采样模式和掉电模式。正常工作模式以c s 信 号的下降沿开始采样，以后的每一个s c l k 下降沿将输出一位数据【9 】。输出数据格 式为1 6 位，高4 位是0 ，低1 2 是真正的采样数据。c s 信号的下降一年产生第1 位数据o ，接着3 个s c l k 的下降沿会产生三位数据o 。采样数据真正从第4 个s c l k 的下降沿开始，一直到1 5 个s c l k 的下降沿结束，共采集1 2 数据。在第1 6 个s c l k 的下降沿，数据输出端口s d o 变为三态，表示一个转换结束。因此第1 6 个s c l k 之后，将c s 信号拉回高电平，并等待下一次转换，注意两次转换的时间间隔至少 为4 0 i l s 。正常采样模式的工作时序如图3 6 所示： 嚣 s a 【 o 图3 6a d s 7 黯6 正常采样模式时序图 a d s 7 8 8 6 进入正常采样模式后，在第2 个和第1 5 个s c l k 之间，如果c s 信 号拉回高电平，则立即会进入掉电模式。这种情况下，正在进行的数据转换会立即 停止，s d o 进入三态，掉电模式的工作时序如图3 7 所示。从掉电模式到正常采样 模式只需c s 信号维持1 0 个s c l k 周期以上的低电平，并且这个过程至少需要l u s 的时间。本系统让a d s 7 8 8 6 一直处于正常采样工作模式状态，将采样数据送往 f p i ：h 内部f i f o 暂存。 t 茧叫bt i _ 舛卜 器几垃互z 五二互西互磁z 西厂 涨厂一一八 八八八八 ! ! 湖 】二【 x 芝 卜 图3 7a d s 7 鼹6 掉电模式时序图 3 2 3 数据采集电路设计 重量信号数据采集负责将微波探头的烟丝密度模拟信号转换为数字信号，并送 往数据处理单元。数据采集主要有信号调理模块和信号采集模块组成。信号调理模 块由二级放大电路组成：信号采集模块由a d 转换电路及驱动电路组成。a d 转换 1 6 微波源烟条重量控制系统的设计 的驱动电路是通过f p g a 的内部逻辑实现的，整个数据信号采集电路的组成框图如 图3 8 所示。f p g a 输入时钟为4 0 m h z ，经过4 分频后输出l o m h z 时钟信号提供 给a d s 7 8 8 6 ，控制片选信号c s ，并将a d s 7 8 8 6 送来串行数据转换为并行数据，暂 存于内部f i f o 中。 信 图3 8 数据信号采集电路结构图 3 4 重量信号数据处理 重量信号数据处理模块是重量控制系统的核心部分。首先需要完成大量的统计 计算，例如烟支重量的计算、烟丝曲线的生成、紧头位置的计算、各种故障烟支的 统计，大量误差的统计；其次要完成劈刀电机的控制、紧头电机的控制、剔除阀的 控制；再次要完成与上位机信息交互，与其他子系统的数据通信。因此系统设计时， 采用了1 1 公司推出的一款功能强大的高速信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片基于c c + + 高效3 2 位t m s 3 2 0 c 2 8 xd s p 内核，并提供浮点数学 函数库，从而可以在顶点处理器上方便的实现浮点运算，是电机等数字化控制产品 升级的最佳选择，其优越的计算性能和丰富的外设资源能很好的满足本系统设计的 需求。 3 4 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 简介 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 内核的定点数字信号处理器，器件上集成 了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。同 时代码指令与f 2 4 x 系列完全兼容，保证了项目设计或产品设计的延续性【1 0 1 。 ( 1 ) t m s 3 2 0 f 2 81 2 内部结构及片上资源 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主要包括c p u 、片内存储器、中断管理模块、事件管理模块、 片内集成外围设备，其体系结构如图3 9 所示【l 。 第三章烟条重量控制系统硬件设计 1 7 上i上 7 ln a g e r a s e c t o 他d b o o t j e v e n t 7 im a n a g e r b f i a s h r a m r o m 。j 一k * ， - r i - ，1 ， 一! i h d 。g l m b u s - i m c b s p p i e f n t e r p t_ - c a n 2 o b 3 2 b i t 3 2 x 3 2b i t r m w m a n a g e r a u x a 吖 m u l a p i i e r a t o m i c r e g i s t e 噶 a l u - is c i a 3 3 2b 弛 卜一 - is c i b 1 r i m e 隋 。i 亡。 r_ g p l o r e a l 廿m e j t a g 图3 9t m s 3 2 0 l i 2 8 1 2 内部结构图 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的c p u 是基于1 m s 3 2 0 c 2 8 x 的3 2 位定点低功耗内核。体系结 构采用4 级流水线技术，加快程序的执行。f 2 8 1 2 工作于1 5 0 m h z 时，运算速度接 近1 5 0 m 口s ，配合3 2 + 3 2 硬件乘法器，做一次成累加运算只需一个机器周期( 6 6 7 1 1 s ) 。 3 2 位c p u 内核提高了运算精度和速度【1 2 】。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用增强型哈佛结构，芯片内部有6 条3 2 位总线。程序存储器 总线和数据存储总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此c p u 的读写 可以在同一个周期进行【l 引。 片内存储资源包括：1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 、4 k 1 6 位的r o m 、1 k 1 6 位的 o p tr o m 、1 8 k 1 6 位的单周期访问r a m 。片上f l a s h r o m 具有可编程加密特 性。f 2 8 1 2 还提供了多个存储器外部接口，其寻址空间可达到l m 字。另外，f 2 8 1 2 设有代码安全模块( c m s ) 。该模块用以保护f l a s h 瓜o m o p t 和l o l 1s a r a m 模 块，防止没有授权的用户通过j t a g 接口查看寄存器内容、访问外设和引导装入那 些可能到处安全寄存器内容的软件，保证了相关寄存器的数据安全。 ( 2 ) 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上外设工作特点 f 2 8 1 2 芯片上有4 种不同的标准通信接口，极大地简化了与其他设备的通信接 口设计。两个异步串行通信接口( s c d ，支持1 6 级接受和发送f i f o 。s c i 模块采用 标准非归零数据格式，可以与c p u 或其他通信数据格式兼容的异步外设进行数字 通信。当不使用f o 时，s c i 接收器和发送器采用双缓冲传输数据。s c i 接收器和 1 8 微波源烟条重量控制系统的设计 发送器有自己的独立使能位和中断位，可以独立的操作，在全双工模式下也可以同 时操作。一个同步串行接口( s p d ，其通信速率和通信数据长度都是可编程的，通常 用于d s p 处理器和外部外设及其他处理器之间进行通信。s p i 主要应用于显示驱动 器、a d c 以及日历时钟等器件接口，也可以采用主从模式实现多处理器之间的通 信。增强型c a n 总线通信接口与c a n 2 o 完全兼容，具有较强的抗干扰能力，可 以用在电磁噪声比较大的场合。带有3 2 个完全可以配置的邮箱和定时邮递功能的 增强型c a n 总线模块，能够实现灵活稳定的串行通信接口。多通道缓冲串口 ( m c b s p ) ，能够和兼容m c b s p 设备( 如v b a p 、a i c 、c o i n b 0 多媒体数字信号编解 码器) 接口通信，同时m c b s p 还可以同步发送接受8 1 6 3 2 位等串行数据【l o 】。 f 2 8 1 2 包含一个外设中断扩展模块( p ) 。该模块中多个中断源复用几个中断输 入信号，p 正最多可以支持9 6 个中断，其中8 个中断分成一组，复用一个c p u 中 断，总共有1 2 组中断( i n t l 到i n t l 2 ) u 引。每个中断都会有自己的中断向量存放在 r a m 中，构成整个系统的中断向量表，用户可以根据需要对中断向量表进行调整。 响应中断时，c p u 自动从中断向量表中获取向量并保存重要的寄存器需要花费9 个c p u 时钟周期。中断的极性可以在硬件和软件中控制，每一个中断可以在p i e 模块内使能或屏蔽。此外f 2 8 1 2 还包含3 个可屏蔽的外部中断( x i n t l ，2 ，1 3 ) 。 f 2 8 1 2 包含两个事件管理器模块e v a 和e v b ，提供了强大的控制功能，特别 适合运动控制和电机控制等领域【lo 】。每个事件管理器包括通用定时器( g p ) 、比较器 p w m 单元、捕获单元以及正交脉冲编码电路( q e p ) 。在电机控制应用中，当功率管 需要互补控制时，每个事件管理器能够控制3 对桥，同时每个事件管理器还提供两 路互补的p w m 信号输出。 f 2 8 1 2 包括一个1 6 路1 2 位的a d 转换模块，可配置为2 个独立的8 通道模块， 分别服务于事件管理器a 和b 。a d c 时钟最高可配置为2 5 m h z ，最高采样率为 1 2 5 m s p s ，输入电压范围0 v 3 v 。有多个触发源启动的a d 转换器：软件立即启 动、事件管理器a 启动、事件管理器b 启动以及外部引脚启动。 f 2 8 1 2 的外部接口被映射到5 个独立的存储空间x z c s o 、x z c s l 、) ( z c s 2 、 x z c s 6 、x z c s 7 ，每个存储空间具有独立的地址，最多可寻址4m b 。f 2 8 1 2 中， 有的存储空间共用1 个片选信号，如z o n e 0 和z o n e l 共用x z c s o a n d l ，z o n e 6 和 z o n e 7 共用x z c s 6 a n d 7 。对任何外部空间读、写操作的时序都可以分成3 部分： 建立、激活和保持【1 3 】，时序如图3 1 0 所示。 第三章烟条重量控制系统硬件设计 1 9 伪妇泛1 l。1 厂z 一1 几几几一几1 厂7 一 _ j ，a i l 8 ：叼：【 ) x z c s x 1 、r 葭寥 圈lx 刚t f 读时序 1 _ 几 nn 几n1 几7 j 【 囊。字：；笔e ；：氍+ 乒t j 善务j ；吩；釜麓i ：，矗鲁乏；! 窭：o l 圈2x l n t f 写时序 图3 1 0t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 外部空间读写时序图 在建立( 1 e a d ) 阶段，访问存储空间的片选信号变为低电平并且地址被送到地址 总线( ) ( - a ) 上。默认情况下该阶段的时间设置为最大，为6 个x t i m c l k 周期。在激 活( a c t i v e ) 阶段，对外部设备进行读写，相应的读写信号( m 和x w d ) 变为低电平， 同时数据被送到数据总线a d ) 上。默认情况下读写该阶段的时间均设置为1 4 个 x t i m c l k 周期。跟踪( t m i l ) 阶段是指读写信号变为高电平，但片选信号仍保持低电 平的一段时间周期，默认情况下该阶段时间设置为6 个x t i m c l k 周期。 3 4 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在数据处