（机械工程专业论文）基于模糊识别的书贴检测仪的研制.pdf

摘要 本文介绍了一种基于模糊识别的自动装订机书贴检测仪的研制。我公司根 据市场需求于3 年前开始开发印后设备，如骑马装订联动线、折页机、胶订联 动线等，目前国内许多印刷厂的装订工作还有很多仍停留在手工作业，随着科 技的发展和国内市场经济的发展，人们对自动装订设备的自动化程度要求越来 越高，许多印刷厂现在f 逐步用设备来取代手工作业，所以我公司开发生产印 后设备非常适应市场需求。在骑马装订联动线中，书贴检测仪是其中一个重要 的智能测控环节，它可避免由于人为的因素而造成的书贴装订错误，目前，我 们国内还没有这种设备，均是国外进口的，不仅价格高，供货周期长，其售后 服务也不好保证。为了降低成本，提供很好的服务，我们决定自己开发研制书 贴检测仪，经过近2 年的研制和使用，这种书贴检测仪现已在我厂生产的骑马 订机器上批量使用，从使用效果看完全达到了客户的使用要求，并且还降低了 机器的成本。 本文探讨了一种低成本的解决方案，并且提出了一种灵活的模糊识别算 法。 本文提出的自动装订机书贴检测仪采用光电反射式传感探头，为了提高检 测仪器的灵敏度，需要提高发光二极管的亮度，这就必须增大发光二极管的驱 动电流，本文提出一种驱动电路，不仅增大了发光二极管的驱动电流，并且可 以根据需要，调节发光二极管的亮度。 在工业现场，往往存在大量的工频干扰。由于自动装订机书贴检测仪传感 探头的感光元件采用的是高内阻器件，工频干扰很容易通过容性耦合进入传感 器的输出信号。本文详细分析了工频干扰产生的机理，并在实验的基础上给出 了滤除工频干扰的方法。 自动装订机书贴检测仪的主要功能是在一摞相同的书贴中识别出其中存在 的空白页、错页、倒页和印刷质量存在严重问题的页。由于任何两个页面不可 能完全相同，所以，检测仪器每次所采集到的数据必然会存在差异，这就意味 着不能运用经典集合的方法去设计检测算法。为此，本文运用模糊数学结合概 率论，提出一种灵活的模糊识别算法，并且通过了现场检测验证。 为了使检测仪器能够逐渐适应实际检测过程中纸张不完全对正的情况，并 北京i 业大掌r 程坝十字位论文 且减小由于传感探头凶时间而产生的特性变化对检测结果造成的影响，本文提 出一种自适应算法，并且可以根据实际需要，调整自适应深度，经过现场检测 检验，该检测算法达到了比较理想的效果。 关键词自动装订机：书贴检测；模糊识别 i i a b s t r a c t ak i n do fp a g e - c h e c k i n gi n s t r u m e n ti na u t o m a t i cb o o k b i n d i n gm a c h i n eb a s e do n f u z z yr e c o g n i t i o nw a si n t r o d u c e di nt h i sp 印e r i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h em o r ei n t e l l i g e n ta u t o m a t i cb o o k b i n d i n gm a c h i n ei s r e q u i r e d t h ep a g e - c h e c k i n gi n s t r u m e n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ei n t e l l i g e n tt e s t a n dc o n t r 0 1 a tp r e s e n t ，t h ep a g e c h e c k i n gi n s t r u m e n te q u i p p e do nt h ed o m e s t i c a u t o m a t i cb o o k b i n d i n gm a c h i n er e l i e so ni m p o r t i n gc o m p l e t e l y i tc o s t st o om u c ha n d t a k e sl o n gt i m e ，a n di ti sd i f f i c u l tt om a i n t a i na n dw h a tw o r s e ，w h e ni ti sp mi n t o p r a c t i c e ，e s p e c i a l l yc h e c k i n gc h a r a c t e ra n dl e t t e rp a g e s ，c h e c k i n gm i s t a k e so f t e no c c u r s oi tc a n n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ec u s t o m e r s i ti sw i d e l yr e q u i r e dt or e d u c e t h ec o s t ，m a k et h em a i n t e n a n c ea n du p d a t i n go ft h es y s t e mc o n v e n i e n t l ya n di m p r o v e t h ea c c u r a c yo ft h ei n s t r u m e n t t h i sp a p e rd e v e l o p e dal o wc o s tr e s o l u t i o na n dp r o p o s e dak i n do ff l e x i b l ef u z z y r e c o g n i t i o na l g o r i t h mw i t h o u ta n yd i s c o u n to f t h ep e r f o r m a n c e p h o t o e l e c t r i c i t yr e f l e c t i v es e n s o ri sa p p l i e dt ot h i sp a g e c h e c k i n gi n s t r u m e n t t o i m p r o v et h es e n s i t i v i t yo ft h ei n s t r u m e n t ，i tn e e d st oe n h a n c et h eb r i g h t n e s so ft h e l e d s s oi ti sr e q u i r e dt oe n h a n c et h el e d s d r i v i n gc u r r e n t ac i r c u i tw a si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r i tc a r le n h a n c et h el e d s d r i v i n gc u r r e n ta n da d j u s tt h eb r i g h t n e s so ft h e l e d sw i t ht h ep r a c t i c a ln e e d t h e r ei s a l w a y sg r e a t l o to fe l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ei ni n d u s t r ys e n s e b e c a u s et h er e s i s t a n c eo ft h es e n s o ri sv e r yl a r g e ，e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ec a na d d t ot h es e n s o r so u t p u ts i g n a lv i ac a p a c i t yc o u p l ee a s i l y t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e p r i n c i p l eo ft h eb o r no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ei nd e t a i l ，a n dp r o p o s e da r e s o l u t i o nb a s e do nt h ee x p e r i m e n t t h em a i nf u n c t i o no ft h ep a g e c h e c k i n gi n s t r u m e n ti na u t o m a t i cb o o k b i n d i n g m a c h i n ei st od i s t i n g u i s ht h eb l a n ka n de r r o rp a g e sf r o mt h o s en o r m a lo n e s s i n c e t h e r ew i l lb en ot w oi d e n t i c a lp a g e s ，t h ed a t u ms a m p l e db yt h ei n s t r u m e n tf r o mt h e s e n s o r se a c ht i m ea r ed i f f e r e n t i ti st os a yt h a tw ec a n n o td e s i g nt h ec h e c k i n g a l g o r i t h mw i t hc l a s s i cm a t h e m a t i cm e t h o d af l e x i b l ea l g o r i t h mb a s e do nt h ef u z z y r e c o g n i t i o na n dp r o b a b i l i t yw a sp r o p o s e db yt h i sp a p e ra n dp r o v e db yt h ee x p e r i m e n t t om a k et h ei n s t r u m e n tc a na d a p tt ot h ec a s eo ft h ep a p e rd e f l e c t i o na n dr e d u c e t h ei n f l u e n c eo f t h ev a r i e t yo f t h es e n s o r sp r o p e r t yw i t ht h et i m el a p s e ak i n do f s e l f - a d j u s t i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra n dt h ed e p t ho ft h es e l f - a d j u s t i n gc a n i t i ! ：j ：三些：j i 三譬：圭i 譬 ： b er e g u l a t e d t h ea l g o r i t h ma c h i e v e dt h ee x p e c t e de f f e c ti nt h es e n s ee x p e r i m e n t k e y w o r d sa u t o m a t i cb o o k b i n d i n gm a c h i n e ；p a g e c h e c k i n g ；f u z z yr e c o g n i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 关于论文使用授权的说明 日期：j 本人完全了解北京工业大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 导师签名：划日期： 乞 。s - f 盟 泠一 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题的背景及意义 随着科学技术的不断发展，人们对自动装订机的智能化程度要求越来越 高。同时，在e f , 吊t j 行业，社会对印刷品的质量要求越来越高。为了提高劳动生 产率和印刷品的质量，大量的前沿技术迅速地应用到印刷装订机械的生产当 中。以骑马装订联动机为例作以说明。在骑马装订联动机中，见图1 1 所示， 从错页检测到缺页检测，从重页检测到书钉检测，从合格品与不合格品自动分 开处理到合格品自动成堆，都有专门的执行机构和电气控制措施，使得整个生 产过程只需要很少的人工参与，一个人可以控制一台到几台骑马装订联动机运 行，这样，不仅大大提高了生产效率，而且还降低了印刷品的生产成本。骑马 装订联动机大体分为四个功能部分：搭页机、订书机、三面切书机、电气控制 台。搭页机的主要功能是承载书页，检测错误书页、空白书页、倒页和无页 等。订书机的主要功能是给待装订的书刊订上骑缝钉。三面切书机的主要功能 是将订上骑缝钉的书切书成型。骑马装订联动机的这三个功能部分由电气控制 台统一控制，在一起协调工作。在骑马装订联动机的各个功能部分中，都装配 了相应的检测仪器，例如，在搭页机上，就装配了书贴检测仪，它主要负责页 面的检测判断，在一摞相同的书铁中，检测出其中存在的空白页、错页、倒页 和印刷质量存在严重问题的页。目前，国内印刷装订机械生产厂家使用的页面 检测仪完全依赖进口。进亡j 的书贴检测仪不仅价格高，大约在l 万元左右，订 货周期长。而且，检测仪器本身也存在性能上的不足，维护升级极为不便。例 如，f i 本某公司生产的页面检测仪，在检测图形页面时性能还可以，误检率不 高，但是，在检测纯文字页面时，误检率比较高，有时达到影响正常生产的程 度，比如，有的页面是正确的，检测仪器给出的结果却是错误的：有的页面是 错误的，检测仪器给出的结果却是f 确的。为了降低自动装订机的生产成本， 在技术上摆脱受制于人的局面，国内自动装订机生产厂家普遍要求国内能够研 发出一种低成本、高性能、维护升级便利的书贴检测仪。本文提出的自动装订 机书贴检测仪就是在这样的背景下进行研发的，并取得了比较理想的效果。 北京t 业大学工程硕上学位论文 幽1 1l q d l 0 型骑马装订联动机 f i g l - 1l q d l 0 c o m b i n d e ds a d d l es t i t c h i n gl i n e 自动装订机书贴检测仪的主要功能是在一摞相同的页面中，识别出其中存 在的错页、倒页、空白页和印刷质量存在严重问题的页。由于任何两个页面都 不可能完全相同，所以，不能用确定的比较方式进行判断，也就不能运用经典 的数学理论去解决这样的问题，只能运用模糊数学的理论去解决。 1 2 模糊数学简介 1 2 1 模糊数学的由来 在生产实践、科学实验乃至r 常生活中，人们遇到需要讨论的问题，大体 上分为确定性问题和不确定问题两大类。在研究确定性问题时，人们运用经典 数学的理论予以解决。不确定性问题又分为两类，一类称之为随机不确定性问 题，一类称之为模糊不确定性问题。在研究随机不确定性问题时，人们运用的 主要数学工具是概率论和数理统计；在研究模糊不确定性问题时，人们就得需 要运用模糊数学的知识加以解决。 概念是反映对象的特征或本质的思维形式。概念的内涵是概念所反映的对 象的特征或本质，概念的外延是概念反映的那一种事物或那一类事物的总和， 即概念所指对象的范围。在经典数学中，概念是严格界定的，它们有确定的内 涵与外延。因此，人取一个对象，要么符合这个概念，要么不符合这个概念， 二者必居其一，也仅居其一，例如，一个自然数集合，任取一个元素a ，则要 么a n ，要么a 诺n 。但是在日常的牛产、工作和生活中人们遇到的概念未必 都具备这样的特征。例如，好服装与差服装，重感冒与轻感冒，高个子与矮个 子等都很难进行确切的描述和准确的判断。为了利用数学的语言描述这些很难 进行确切描述和准确判断的概念，1 9 6 5 年，l a z a d e h 发表了篇开创性的论 文“模糊集合”( f u z z ys e t s ，i n f o r m a t i o na n dc o n t r o e ) ，z a d e h 的论文标志着一 门崭新的数学分支的诞生模糊数学。“1 第l 章绪论 1 2 2 模糊数学的基础 1 2 2 1 模糊数学的知识结构 模糊数学的基础理论包括两大部分：第一部分是模糊集合论，第二部分是 模糊关系论。模糊数学的其他应用分支，都是以模糊集合论和模糊关系论作为 理论基础的。模糊数学自创立以来，已经取得了很大进展，不仅渗透到各个理 论研究和应用方法研究的领域，而且在实际应用中得到了成功的应用。模糊数 学的知识结构“见图卜2 所示。 模糊数学 基础理论 数学理论善薹婺掌 t 测度论 应用方法 囊掣姜裂 实际应用 藿委翼雾 图1 - 2 模糊数学知识结构图 f i g1 - 2 s t r u c t u r eo f f u z z ym a t h e m a t i c s 1 2 2 2 模糊集合的概念 经典集合有很多种表示方法，其中特征函数表示法如下： 设a 为论域u 中的一个子集，即a u ，“u 。则集合爿的特征函数可 表示为 z a ( 炉托鬟 1 ) 由于元素u 与集合爿的关系只有“a 、“芒a 两种情形，则特征函数取值 只为0 与l ，即值域为 0 , 1 。 仿照用特征函数表示经典集合的方法，z a d e h 提出用隶属度函数表示模糊 集合，即把特征函数的值域由 0 ，1 ) 扩大到 o ，1 j 。定义如下： 给定论域u ，a 是论域u 到 0 , 1 】的一个映射，即 a ：u j 0 , 1 北京工业大学i 程坝t 学位论文 “ 寺4 ( “) 则称爿是u 上的模糊集，( ) 称为模糊集a 的隶属函数，a ( u ) 称为b t 对4 的隶 属度。 看一个问题：一个人身高1 7 0 m ，他是高个子吗? 该问题抽象成数学问题 如下： 设a = 所有高个子集合，一个人身高x = 1 7 0 m ，问x a ? 这是一个典型的模糊集合实例，解决的方法如下： 作出如下假设：身高1 8 0 m 以上都是高个子，身高1 6 0 m 以下的都不是高 个子。给出如下隶属度函数： ( x ) o 2 ( 兰0 坐2 ) 2 、 ， 1 - 2 ( 学) 2 1 x 1 6 0 1 6 0 x 17 0 ( 卜2 ) 1 7 0 s x 18 0 1 8 0 x 将x = 1 7 0 m 代入上式，得： 。( 1 7 0 ) = 0 5 即，身高1 7 0 m 的人属于高个子的程度为o 5 或5 0 。 通过上面的分析可以看出，模糊集合的元素有两个不可分割的属性：元素 的值和该元素属于某一模糊集合的隶属度。模糊集合的表示方式有以下几种： 1 ) z a d e h 表示法，刖 彳：丛业+ a ( u 2 ) + + 丛盟 “l b t 2 “ 注意，上式右端并非分式求和，只是一个记号。分式中，分母表示论域中的元 素，分了表示其隶属度。 2 ) 序偶表示法，即 a = ( “l ，a ( u 1 ) ) ，( “2 ，a ( u 2 ) ) ，( “。，爿( “。) ) ) 3 ) 向量表示法，即 a = 4 ( ) ，a ( u ：) ，a ( u 。) 4 ) 综合表示法，即 a = a ( u 1 ) u 1 ，a ( u 2 ) u 2 ，a ( u 。) u 。 当论域足连续集时，z a d e h 给出模糊集的表示如下 第1 章绪论 4 = 掣 这里，“i ”只是一种记号，表示无限多元素合并的缩写。例如，“青年人”此 模糊集合a 町表示为 爿：2 l 蚺1 0 1 + 0 ( 竿) 2 - l x爿= 1 x + 1 + ( 半) 2 - l x 其中，论域u = 0 , 1 0 0 】，x 表示人的年龄。 隶属度函数的具体形式需要根据个人的经验获得，不同的人对同一个模糊 集合，给出的隶属度函数可能会相差很大，隶属度函数的形式并不是唯一的， 因人而异，但是，隶属度函数的准确程度则需要经过实践的检验。 下面介绍一下模糊数学中的基本算子z a d e h 算子。 设a , b 0 ，l 】，定义 v b = m a x 扣，6 ) ，a a b = m i n a ，6 其中， 日vb o ，l 】， 称“v ”、“a ”为z a d e h 算子。 1 _ 2 2 3 模糊关系的概念 经典数学定义的关系是确定的关系， 经典数学中，关系的定义如下： a b 0 ，1 3 例如“4 大于2 ”、“x 小于y ”等。 设x ，y 为两个论域，x y 中的一个子集r 称为x 到y 的关系，记作 r x x y ，其中，x y = ( x ，y ) | x x ，y y ) 。 实际上，r 是一个集合，若( z ，y ) r ，则称x 对y 有关系r ，记为坶。 例如实数中的关系“ ”关系，可以用r 表示： t = ( x ，y ) lx ，y 是实数，凰 y ) 它在坐标系中代表半平面，如图卜3 所示。 模糊性在现实世界中大量存在，有些关系并不是十分精确，在经济生活和 社会生活中存在着大量的模糊关系，如“x 远远小于y ”等。 在模糊数学中模糊关系定义如下： 北京业大学t 程硕十学位论文 x x y 中的一个模糊子集称为x 到j ，的一个模糊关系。记作 j i f ( x y ) 。对于( x ，y ) x x y ，豆( x ，y ) 称为x m y 有关系豆的程度。 图1 - 3 实数关系“ ”示意图 f i g1 3s k e t c hm a po ft h er e a lr e l a t i o n “” 例如，实数中的“远远大于”这一关系，表述如下： 以实数r 为论域，设于表示五中“远远大于”这一关系，其表达式如公式( 卜3 ) 所示。 f 0 x s y 氟w 卜 1 + 器】- i 刎 q 。3 当x = 1 0 0 0 ，y = 1 0 0 时，f ( 工，y ) = 0 9 9 9 9 ： 当x = 2 0 ，y = 1 0 时，t ( x ，y ) = 0 5 ； 当x = 2 0 ，y = 1 8 时，f ( x ，y ) = 0 0 3 8 5 。 其实，无论是经典的关系还是模糊的关系，都可以用有序数对组成的集合 来表示，不同的是经典关系用经典集合表示，模糊关系需用模糊集合表示。 对模糊数学不做过多介绍，其它理论知识可以参考相关教材。 1 2 3 模糊数学的应用 模糊数学已经广泛应用于计算机科学、自动控制【2 3 1 、地震工程、系统工 程、土木 程【4 】、环境保护、机械5 1 、管理科学哪】、思维科学、社会科学、医 疗卫生【8 】、气象预报以及文学艺术、体育、心理等领域。模糊数学最成功的应 用领域应该说是模糊控制，特别是日本率先将模糊技术大量用到工业界和家用 电器上，如模糊洗衣机、模糊空调机、模糊控制的地铁运行系统等等，由于其 良好的性能，在困际上受到广泛关注。国际模糊系统协会曾创立了( ( f u z z ys e t s 第l 蕈绪论 a n ds y s t e m s ) ) 杂志，i e e e 每两年召开一次模糊理论及应用的专门会议，在其大 部分会刊杂志中，都刊登关于模糊应用的成果。 1 3 模糊模式识别及其应用 1 3 1 模糊模式识别的概念 将整体化分为若干类型而得到一组标准模式，对确定的对象识别它应属于 何类的问题称之为模式识别。整体被划分的类型与被识别的对象二者之中至少 一个是用了模糊集表达的模式识别问题，就称之为模糊模式识别。给定论域x 中若干标准模式a 1 ，a ：，a 。，其中，a 。，爿2 ，a 。都是工的子集，现在给出一 个具体对象4 ，要求判定a 应属于那一类模式，这就是所谓的模式识别。如果 给定的标准模式是上的模糊子集，就称为模糊模式识别。模糊模式识别是模 糊数学应用的一个领域。 1 3 2 模糊模式识别的一般方法 模糊模式识别有两类基本的判断方法：一种是依据模式识别中的择近原则 进行判断，一种是依据模式识别中的最大隶属原则来进行判断。 目前，模糊模式识别方法主要表现在这两个方面。对于采用择近原则判断 的模式识别，其方法可以抽象表述如下： 设x o ，a i , a 2 , - - , a 。v c f ( ) ，是已知的标准模式。a 甲是待判别 的对象。 l 给定阈值五，选定是甲上的贴近函数，设 n ( a ，a ) = m a x n ( a ，a 1 ) ，n ( a ，a 2 ) ，n ( a ，a 。) ) 若n ( a ，a 。) 厶，则判断4 属于第k 类；若n ( a ，4 ) 旯0 0 ，则判断爿不属于 第k 类。 对于采用最大隶属原则判断的模式识别，其方法可以抽象表述如下： 北京工业人学工程硕：学位论文 i i i 设x 甲，a ，a ：，a 。甲 f ( x ) 是已知的标准模式，x x 是待判对 象，给定闽值。，若 4 ( x ) = m a x , u a ( x ) ，u a ，( x ) ，( x ) ) 且也( x ) u o ，则判定x 属于第k 类；若也( x ) 5 0 h z ，过渡时间f = 4 7 m s 。如果电阻不 变，选择的电容为o 1 胪，则低通滤波器的截至频率厂 5 0 h z ，过渡时间 r = 4 7 0 m s 。由于整个检测时间不能超过3 0 0 m s ，所以，选用0 1 i 扩的电容作 为滤波电容是不能接受的。选用0 0 1i 的电容，低通滤波器的过渡时间远远 小于3 0 0 m s ，并且可以将高频干扰完全滤除，所以是可取的。 实验证明，在利用集成运算放大器设计放大滤波电路时，一定要将集成运 算放大器的两个输入端的电阻进行配平，这样可以减小器件内部热噪声产生的 干扰。加上配平电阻的实际效果是明显的，在页面检测仪所选用的放大滤波电 路中，加上配平电阻后的输出信号要比没加配平电阻后的输出信号的高频干扰 小1 2 左右。 在进行这部分电路时，还要注意的就是单级放大电路的放大倍数不能随心 北京t 业大学t 程倾十学位论文 所欲的大。一般情况下应小于1 0 0 倍，否则，放大器前端幅值很小的干扰信号 非常容易被放大而和有用信号混杂。放大倍数越高，越要注意对集成运算放大 器两个输入端的电阻进行配平。 2 2 4 单片机的选型 元器件的选型是根据仪器的功能及性能要求提出来的。在进行单片机选型 时，应该充分考虑项目要求。本论文所研制的自动装订机页面检测仪，对单片 机的基本要求是： ( 1 ) 内部带有a d 转换器，由于要求的检测精度不是很高，1 0 a d 转换 器就足够了。这主要是因为从传感器来的信号是模拟信号，必须采用- - l e o 有效 措施，将模拟信号转变为数字信号，才能被微处理器识别和处理。将模拟信号 转换为数字信号，最直接的方法就是利用a d 转换器进行模拟数字转换。目前 来看，有很多单片机内部都集成有a d 转换器，并且转换速度相当快，完全可 以达到项目要求。 ( 2 ) 内部带有乘法器。由于检测仪器需要进行较为复杂的数据处理，町 能会利用较多的乘除算法，所以，所选用的单片机最好是内部带有乘法器，这 样，可以大大提高单片机的数据处理速度。 ( 3 ) 单片机内部带有可用于存储数据的f l a s h 存储器。项目要求自动装 订机页面检测仪实时记忆检测过程中设定的参数，并且在系统掉电以后数据不 能丢失。这里可以宵两种方案：一种方案是选择内部带有可用于存储数据的 f l a s h 存储器或e e p r o m 存储器，这样叮以简化系统硬件电路的设计：另外 是选择一片非易失性r a m ，非易失性r a m 其实就是将普通r a m 和一片可充 电的锂电池封装在一起而成，这样，需要设计相应的接口电路，不仅增加了系 统设计的复杂性，而且增加了系统得成本，但这种方案不像第- - e o 方案那样有 擦写次数限制，由于是利用普通r a m 封装而成，它没有擦写次数限制。由于 在检测过程中，对非易失性存储器的擦写并不是频繁的，只有在系统参数重新 设定之后4 + 会擦写一次，再加上现在的f l a s h 存储器和e e p r o m 存储器可以 擦写1 0 万次以上，即使一天擦写2 7 0 次，检测仪器的使用寿命也能达到1 0 年，所以采用第一种方案也彳i 会出现问题。 ( 4 ) 能够支持1 2 个按键。这一点好处理，如果用阵列扫描的方式设计硬 第2 辛硬件的设计与实现 件电路，只需要3 行4 列就可以实现，占用单片机7 个i o 口，如果为以后升 级作考虑，不防使系统支持1 6 个按键，占用单片机的8 个i o 口。 ( 5 ) 能够支持与外部信号有关的4 个输入口和4 个输出口。要求4 个输 入口中，至少有一个口具有中断功能。 ( 6 ) 能够支持髂个独立的发光二极管。如果采用行列扫描的方式，有8 行8 列就够了，需要单片机有1 6 个i o 口。如果采用专门的电路，只需要3 个 i o 门。 下面看一下三种单片机的性能对比。见表2 - 1 所示。 从表2 1 中可以看出，d s p 2 0 6 由于i o 口不足，f l a s h 存储器只能存储 程序，不能存储数据，所以不予考虑。m s p 4 3 0 f 1 4 9 内部资源和外部i o 口都 能满足项目要求；a t m e g a l 2 8 从内部资源和i o 方面也都能满足项目要求。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是2 0 0 0 年t i 公司推出的产品，而a t m e g a l 2 8 是2 0 0 2 年a t m e l 公司推出的产品。1 1 公司在数字信号处理技术上处于世界领先地位，而 a t m e l 公司在f l a s h 存储器技术上处于世界领先地位。两个公司生产的芯片 性能都非常可靠。从这两款芯片的功能上考虑也都能满足项目的要求。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 使用的是3 3 v 逻辑，而a t m e g a l 2 8 采用的是5 v 逻辑，在工业现 场，为了增大检测仪器的抗干扰能力，通常应该选择5 v 逻辑的处理器芯片。 表2 - 1 三种单片机性能比较表 t a b l e2 - 1c h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i n gf o rt h r e ek i n d so fs i n g | ec h i p s 芯片名称t m s 3 2 0 f 2 0 6 m s p 4 3 0 f 1 4 9 a t m e a 9 1 2 8 i o 数目 6 个4 8 个 4 8 个 f l a s hr o m 3 2 k 1 66 0 k + 2 5 61 2 8 k p r o m 无无 4 k r a m 4 k 1 6 + 5 4 4 1 6 2 k 4 k 指令周期 5 0 n s1 2 5 n s6 2 5 n s 硬件乘法器 有 有 有 定时器1 个 2 个4 个 中断源 4 个 1 6 个8 个 内部a d 无1 2 位a d1 0 位a d 另外，现在的绝大多数工业级：蔷片都是5 v 逻辑，使用m s p 4 3 0 f 1 4 9 还有 北京i 业大学下程坝十学位论文 一个3 3 v 逻辑和5 v 逻辑接口设计的问题。不同逻辑接口设计一般采用两种方 案：一是采用电压转换措施，二是采用宽范围器件。采用第一种方案增加了电 路设计的复杂性，采用第二种方案增加了系统的成本。在设计自动装订机页面 检测仪的时候，第一版硬件采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，由于接口设计有些复杂，在设 计硬件第二版的时候，将单片机改成了a t m e g a l 2 8 。 2 。2 5 仪器面板的设计与实现 仪器面板的设计包括面板外观的设计和功能的设计。在外观的设计上，是 在国外产品的外观设计基础之上作了修改而成。在功能设计上，面板主要是获 取按键的键值和对页面检测仪器的状态和结果进行显示。仪器面板的外观如图 幽2 - 9 s 贴检测仪器外观图 f i g2 - 9p h o t oo f p a g e - c h e c k i n gi n s t m m e m 2 9 所示。最上面一排2 0 个绿色发光二极管是指示检测仪器所设定的偏差容许 值的。卜面一排2 0 个红色发光二极管是指示检测仪器每次检测的页面与标准页 面之间的偏差测定值的。下面7 个按键，每个按键上面的发光二极管指示按键 的状态。在这7 个按键右边有一个红色的发光二极管指示检测的错误状态，只 要偏差测定值大于偏差容许值，该错误指示灯就被程序点亮。错误指示灯右边 的数码管是用来显示所设黄的检测仪器所允许出现的连续出错次数的。如果连 续出错次数超过该设定值，位于检测仪器顶部的异常指示等就会被程序点亮， 同时，检测仪器将异常信号送至电气控制台，电气控制台就停止骑马装订联动 机运行，等待操作人员进行异常处理，处理完成后，处理人员按下位于异常指 示灯右边的复位按键，检测仪器即可进行正常工作。 在进行面板功能设计的时候，为了点亮5 8 个独立的发光二极管，第一版硬 件采用的是8 行8 列扫描点亮的方式，采用这种方式可以点亮所有的发光二极 管，但足，由于扫描的速度做不到太高，面板上面的发光二极管的发光亮度达 第2 辛硬件的设计与实现 不到用户的要求。而且，单片机在进行1 2 路数据处理的时候，面板上面的发光 二极管会有闪动现象，这一点是用户不能接受的。再者，每个发光二极管的点 亮时间不可能做到严格相等，所以，面板上面的发光二极管的亮度还有差异， 有些发光二极管亮一些，有些发光二极管暗一些，并且发光二极管的亮度还随 着点亮发光二极管数目的变化而变化。为了消除这种现象，在进行第二版硬件 设计时，改变了发光二极管的点亮方案，不是行列扫面的方式，而是采用专门 的硬件去实现。 在设计硬件电路的时候，采用的电路原理图如图2 - 1 0 所示。整个硬件电路 和第一版硬件不同之处就是增加了一片m a x 7 2 1 9 。 m a x 7 2 1 9 是m a x i m 公司的产品，专门为了驱动数码l e d 和独立的发光 二极管而设计的。该芯片有如下特点： ( 1 ) 对所有段位或独立l e d 自动进行扫面，不需要单片机去干预，大大 减轻了单片机的负担。这一点非常有用。客户要求页面检测仪器面板上面的发 光二极管不仅一直点亮，还要求有的发光二极管根据需要可以闪动，用于区分 不同的状态。例如模式a 键，当模式a 键上方的状态l e d 在正常检测时一直 亮着，不闪动，则表明检测仪器所处的工作模式为自适应模式，若该状态l e d 在正常检测时不停的闪动，则表明检测仪器所处的工作模式为非自适应模式。 在第一版硬件的平台上实现这样的显示效果大大加重了程序的负担，要想做到 符合客户的要求太难了。在设计第二版硬件平台时充分考虑了这一点，从而为 编写程序提供了足够的硬件支持。 p c o貅 ie d 8：刑 l： ：-_ _ i l i 。- _ i ， ! 一 ： r_。j- l ： p c ? 二jj 噩 x 7 2 1 9 e g a l 2 8 p b l c l k p b ：d i n p b 3l 0 d 图2 1 0 面板电路原理图 f i g2 - 1 0s c h e m a t i cm a p f o rt h ec o n t r o l l i n gp a n e l ( 2 ) 二极管的亮度可以通过程序调节。虽然在检测仪器设计成型后，面 北京工业大学t 程硕十学位论文 板上面的发光二极管的亮度是保持不变的，但是，最大亮度足可以达到客户的 要求。流过每个发光二极管的电流的最大值是由电阻r 来决定的。在点亮8 个 数码管时，该电阻的阻值推荐为9 5 3 k f 2 ，但是点亮6 4 个独立的发光二极管 时，该电阻的阻值如果还是9 5 3 艘，实验发现，m a x 7 2 1 9 芯片将会出现异 常。出现异常的原因有两点：第一点是数码管由于各段集成在一起，他们的特 性一致性非常好，并且各段导通时表现出来的电阻比独立发光二极管大；第二 点是独立的发光二极管之间，有的特性相差很大，尤其表现在点亮发光二极管 所需要的电压上，所以，在进行面板制作时，使用的发光二极管必须要经过筛 选。当将电阻r 的阻值提高到2 7 娩的时候，m a x 7 2 1 9 芯片恢复到正常工作状 态。 ( 3 ) 串行输入数据。与单片机之间的接口只需要三根线，一根是串行数 据线d i n ，一根是串行时钟线c l k ，另外一根是数据加载线。只需要占用单片 机的三个i o 口，比起第一版硬件来说，大大简化了接口设计。相对于面板上 面发光二极管的点亮电路而言，键盘的设计就显得简单多了，第一版硬件和第 二版硬件没有区别，都是采用的4 4 行列扫描方式，电路图见图2 1 0 所示。需 要说明的一点是：由于a t m e g a l 2 8 各个i o 口都有内部上拉电阻，所以在设计 键盘的硬件电路时，外部没有采取上拉电阻。 2 2 6 仪器的接口设计与实现 仪器的各个接f _ j 将仪器各个分离部件连接起来，使之组成一套完整的仪 器。两个传感探头，每个传感探头包含6 个传感单元，通过两组数据线与中| 、日j 的转接板相连，转接板通过一根屏蔽线与检测仪器的主板相连，面板通过数据 线与检测仪器主板相连，另外有一组接口线与仪器外壳上面的异常指示灯和复 位按键相连。由于硬件比较简单，故略去论述。 2 3 本章小结 本章对自动装订机页面仪的硬件作了详细的分析。对模拟电路，做了详细 的理论分析，通过比较，筛选出其中最好的电路。对于数字部分，给出了单片 机的选型分析和面板的设计原理，由于i o 部分比较简单，故略去了分析。 笫2 章硬件的设计与实现 第3 章仪器的抗干扰原理及措施 测量精度对仪器来说至关重要，在进行电路设计的时候，从原理上就应该 对提高仪器的测量精度提出方案，对于一切能够对仪器精度产生影响的因素采 取相应的解决措施。在工业现场，不仅要求检测仪器有完善的功能和良好的性 能，更为重要的是仪器的可靠性和稳定性的有足够的保证。如果离开仪器的可 靠性和稳定性，检测仪器的功能再丰富，检测精确度再高，也得不到用户认可 的，所以，提高仪器本身的抗干扰能力是非常重要的。本章从理论上分析了产 生干扰的原因，并提出了相应的解决方案。 3 1 工频干扰及其屏蔽措施 3 1 1 工频干扰的来源 图3 - 11 ：频干扰信号波形图 f i g 3 - 1 s i g n a lw a v i n gc a u s e db yi n t e r f e r e n c eo f 5 0 h z 在没有对工频干扰进行屏蔽之前，用示波器观察放大滤波电路的输出信号 时，发现在示波器中出现的不是一个纯净的直流量，而是在直流量的基础上叠 加了一个频率为5 0 h z 的周期信号，这个信号就是工频干扰，其图形如图3 1 所示。产生工频干扰的原因是由于工业电网采用的是5 0 h z 的交流电，在检测 仪器工作的现场，到处都存在着以电磁辐射形式存在的工频干扰场。一旦检测 仪器由于设计上的不完善而产生引入干扰的通路，干扰就会通过干扰通路串入 并和有用的信号叠加在一起形成工频干扰。工频干扰进入检测仪器的途径通常 有i 种： ( 1 ) 干扰信号以电磁辐射的形式，从空间进入被干扰对象。例如，电磁 波对测量造成的干扰就是以这种形式进行的。 北京r 业大学i 程坝十学位论文 ( 2 ) 下扰信号以漏电和耦合的形式，以绝缘和支撑物等为媒介，通过阻 抗进入被干扰对象。例如，电阻性和电容性漏电或祸合就属于这。干中。 ( 3 ) 通过测量仪器的接口与被测量一起混入测量仪器内部形成干扰。例 如，工频串模干扰或工频共模干扰就属于这种情况。工频干扰和有用信号混 叠，使得本来就很小的有用信号完全淹没再工频干扰信号之中。在检测仪器进 行正常检测时，放大器输出的直流有用信号的电压幅值不超过2 5 6 v ，而工频 干扰的峰峰值大约在2 v 左右，所以，如果不对工频干扰加以去除，检测仪器 就不能正常工作。要想去除工频干扰，首先应该知道产生工频干扰的原因。 3 1 2 工频干扰产生的原因 e + + + + + + + 图3 - 2 = 频干扰产生原理图 f i g3 - 2p r e s e n t i n go f i n t e r f e r e n c eo f 5 0 h z 工频干扰来源于工频电嘲。强大的工频电网在空间产生复杂的工频电场和 磁场。为了得到清晰的概念，在分析工频电场产生的测量误差时，假设空间某 处工频电场强度e 均匀分布，如图3 2 所示。在电场强度方向上取两点日和 b ，盯、6 之间的距离是，a 、6 之间的电动势p 等于 p = f e ( 3 - 1 ) 该电动势相当于一个内阻相当高的电源的开路电压。若口、b 两点之间接一个 数值足