齊曉光，隋修武，李大鵬

（天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

在新版藥品 GMP（Good Manufacturing Practices）總則出臺(tái)后，國(guó)內(nèi)制藥企業(yè)為了適應(yīng)新版GMP對(duì)醫(yī)藥包裝機(jī)械的可說(shuō)明性、可追蹤性，及在線檢測(cè)、在線清洗及全線監(jiān)控等方面的要求，紛紛改進(jìn)技術(shù)，以提高包裝自動(dòng)化和包裝質(zhì)量水平[1]。

目前，全球電子數(shù)粒機(jī)市場(chǎng)90%的份額被外資企業(yè)占據(jù)，國(guó)內(nèi)的光電數(shù)粒設(shè)備主要采用光電管作為檢測(cè)前端，且運(yùn)行速度、精確度、穩(wěn)定性等方面與進(jìn)口設(shè)備仍有相當(dāng)大的差距，尤其是在高速、高精確度生產(chǎn)條件下使用的技術(shù)還有待進(jìn)一步提高[1]。為了滿足高速、高精確度的生產(chǎn)需要，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于DSP和高速線陣CCD圖像傳感器的電子數(shù)粒機(jī)。該數(shù)粒機(jī)與傳統(tǒng)光電管式數(shù)粒機(jī)相比，分辨率更高、計(jì)數(shù)更快、灌裝精度更準(zhǔn)。同時(shí)還可以檢測(cè)出藥片尺寸和粘連，以便剔除裝入不合格藥片的藥瓶,從而大大提高了設(shè)備的數(shù)粒效率和灌裝質(zhì)量。

1 系統(tǒng)原理及組成

數(shù)粒機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括振動(dòng)落料模塊、成像模塊、主控模塊、外圍控制模塊和人機(jī)模塊。振動(dòng)落料模塊，根據(jù)人機(jī)模塊上輸入的參數(shù)，使藥片按照一定的速度從進(jìn)料板上落下。當(dāng)藥片經(jīng)過(guò)成像模塊的檢測(cè)通道時(shí)，引起成像模塊中CCD光敏面上的光強(qiáng)發(fā)生變化。CCD傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)入主控模塊；主控模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，得到藥片x和y方向的尺寸，并與人機(jī)模塊輸入的藥片規(guī)格比較得出藥片是否為合格產(chǎn)品。如果合格，則進(jìn)行計(jì)數(shù)；否則做好標(biāo)志，待該瓶進(jìn)入傳送帶時(shí)，對(duì)該藥瓶進(jìn)行剔除。外圍控制模塊完成對(duì)灌裝工藝的驅(qū)動(dòng)。

2 成像模塊

成像模塊主要為系統(tǒng)提供完整清晰的圖像，以EMP3064A為核心的CCD驅(qū)動(dòng)電路為兩路CCD提供同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.1 光路設(shè)計(jì)

選用典型的兩相單溝道線性CCD芯片TCD1209D，其光敏單元數(shù)為2 048個(gè)，每個(gè)光敏單元尺寸為 14 μm×14 μm[2]，成像長(zhǎng)度為：

檢測(cè)空間長(zhǎng)為400 mm，因機(jī)械結(jié)構(gòu)所限物距不能太長(zhǎng)，單片CCD不能滿足需要，設(shè)計(jì)了雙線陣CCD的成像系統(tǒng)。因此對(duì)于每個(gè)CCD而言水平視場(chǎng)寬變?yōu)?00 mm，所以，放大率[2]為：

式中，u為物距，即為工作距離 WD；υ為像距，即為鏡頭到CCD的距離。設(shè)計(jì)像距v=18 mm,所以工作距離為：

焦距F為：

跟據(jù)式(4)，取焦距為 16 mm。

2.2 線陣CCD驅(qū)動(dòng)

TCD1209D芯片除了需要電源外，驅(qū)動(dòng)器還應(yīng)產(chǎn)生行周期脈沖 SH、驅(qū)動(dòng)脈沖 φ1和 φ2、復(fù)位脈沖 RS和緩沖控制脈沖CP等5路脈沖。

以EMP3064A為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器[3-4]根據(jù)計(jì)數(shù)器的值控制輸出信號(hào)，在QuartusⅡ9.0環(huán)境下采用原理圖方法設(shè)計(jì)程序,時(shí)序仿真結(jié)果如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括EPM7128控制電路、TLC5510 A/D轉(zhuǎn)換電路及FIFO接口電路,其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊是在EPM7128的控制下，由TLC5510把成像模塊輸入的模擬電壓的變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的變化；數(shù)字信號(hào)經(jīng)AL422B緩存后，送到以TSM320VC5509為核心的DSP主控模塊，完成數(shù)據(jù)的采集。

數(shù)據(jù)采集模塊的讀寫(xiě)操作都是由DSP給出的基準(zhǔn)時(shí)鐘經(jīng)過(guò)EPM7128完成TLC5510和AL422B的時(shí)序配合。

4 主控模塊

主控模塊以TMS320VC5509為核心，通過(guò)檢測(cè)藥片x向和y方向的尺寸，來(lái)判斷藥片的大小，從而判斷藥片是否合格，并對(duì)合格藥片進(jìn)行計(jì)數(shù)。

TMS320VC5509是TI公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的數(shù)字信號(hào)處理器，主控模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

主控模塊采用5 V供電,通過(guò)SPX1117-3.3和SPX1117-1.8為DSP提供I/O工作電壓和內(nèi)核工作電壓；用12 MHz的晶振作為時(shí)鐘輸入，然后通過(guò)DPLL倍頻產(chǎn)生144 MHz的主頻。通過(guò)McBSP配置成GPIO模式擴(kuò)展了一個(gè)RS232串口與MT506TV連接。通過(guò)TIMER1產(chǎn)生PWM波,用于控制振動(dòng)落料模塊的振動(dòng)頻率和振幅。通過(guò)EMIF接口實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集模塊的連接。同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)采集模塊和成像模塊的同步工作，通過(guò)TIMER0產(chǎn)生同步時(shí)鐘。

藥片經(jīng)過(guò)振動(dòng)落料模塊后以穩(wěn)定的速度，均勻地從10 cm的高度自由下落。一個(gè)完整的藥片到達(dá)檢測(cè)通道的CCD感光區(qū)所用的時(shí)間t及下落速度v計(jì)算如下：

由式(5)、式(6)得到：t=0.143 s，v=1.4 m/s

對(duì)于一片直徑φ=9 mm，厚度4.5 mm的藥片以自由落體的方式完全通過(guò)檢測(cè)通道的CCD所需的時(shí)間t1為;

CCD對(duì)2 048個(gè)像素點(diǎn)完成一次掃描的時(shí)間是：

所以設(shè)n′為一個(gè)完整的藥片通過(guò)檢測(cè)通道將會(huì)被掃描的次數(shù)，則：

脈沖寬度為藥片的橫向尺寸，所以通過(guò)檢測(cè)脈沖寬度和低脈沖對(duì)應(yīng)的掃描次數(shù),可以得出藥片在橫向(x)及縱向(y)的尺寸。

橫向尺寸由式(10)得到：

縱向尺寸由式(11)得到：

式(10)中 M為鏡頭放大率，B為脈沖寬度。式(11)中 n′為掃描線的條數(shù)，t0是CCD完成一次掃描時(shí)間。

主控模塊計(jì)數(shù)程序流程如圖4所示，程序?qū)?x、y與人機(jī)界面上用戶輸入的檢測(cè)藥片的尺寸進(jìn)行比較,即可判斷出藥片的完整情況,從而做出計(jì)數(shù)或者殘片的標(biāo)記。

圖4 計(jì)數(shù)程序流程圖

5 人機(jī)模塊

通過(guò)EB500編寫(xiě)MT506TV界面如圖5所示。用戶登錄時(shí)可以在用戶登錄窗口完成身份認(rèn)證和工作班組的設(shè)置，并在完成一個(gè)班次之后導(dǎo)出本班組生產(chǎn)數(shù)據(jù)；參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置本次開(kāi)機(jī)工作灌裝藥片的尺寸參數(shù)；在對(duì)不同透明度藥片進(jìn)行灌裝時(shí)，可以通過(guò)閾值設(shè)置窗口設(shè)定不同的閾值參數(shù)；手動(dòng)控制界面是在調(diào)試設(shè)備時(shí)，通過(guò)手動(dòng)控制各個(gè)環(huán)節(jié)完成灌裝工藝；動(dòng)畫(huà)演示顯示灌裝工藝流程；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障不能完成灌裝時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào),設(shè)備調(diào)整之后通過(guò)警報(bào)解除界面解除警報(bào)。

6 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

用φ=9 mm的片劑對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行48 h連續(xù)工作驗(yàn)證，計(jì)數(shù)速度達(dá)到 10 000粒/min～12 000粒/min，裝瓶誤差在5～10瓶以內(nèi),且能準(zhǔn)確對(duì)裝入殘片的藥瓶進(jìn)行處理。

該系統(tǒng)計(jì)數(shù)速度高，運(yùn)行穩(wěn)定，具有對(duì)殘片/連片的剔除功能，受粉塵影響小，提高了電子數(shù)粒機(jī)的速度和性能，由此該系統(tǒng)必將有良好的市場(chǎng)前景。

[1]廉魯.美國(guó)醫(yī)藥包裝工業(yè)現(xiàn)狀及我國(guó)的差距[J]．中國(guó)包裝工程，2005，26(3)：15-16.

[2]王慶友.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[3]TOSHIBA Corp.TCD1209D datasheet[S].1999.

[4]項(xiàng)大鵬，楊江，楊建.基于 CPLD的線陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路設(shè)計(jì)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2010,30（2）：123-125.