申曉達(dá)，胡 鋼，謝劍鋒

(1.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院(常州)，常州 213022;2.常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213022)

1 引言

自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，使用自動(dòng)化檢測(cè)與控制設(shè)備來(lái)取代高強(qiáng)度、高密度的人力操作成為一種趨勢(shì)。此文設(shè)計(jì)的特種纖維強(qiáng)密度檢測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)用于對(duì)特殊纖維密度的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維密度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。如今具有某種特殊性質(zhì)并在某些特殊環(huán)境下使用的高性能高技術(shù)的特種纖維及其制品由于其杰出的物理化學(xué)特性越來(lái)越受到重視，且隨著中國(guó)環(huán)保政策的推進(jìn)以及市場(chǎng)的需求，在許多行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。在大多數(shù)應(yīng)用中，如何有效便捷地對(duì)纖維密度進(jìn)行檢測(cè)，是很多學(xué)者所共同研究探討的問(wèn)題。目前常用的纖維密度檢測(cè)儀大多采用基于DSP的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)所需的芯片數(shù)量少，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，但由于在多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的情況下DSP 訪問(wèn)各個(gè)轉(zhuǎn)換芯片是分時(shí)進(jìn)行的，大量的訪問(wèn)時(shí)間被用于DSP與各芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而用于數(shù)據(jù)處理計(jì)算的時(shí)間僅占少量，影響了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性［1］，而如果采用基于LPC1769微處理器為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，功能穩(wěn)定，可以快速完成特定算法，更能滿足系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性要求。

2 纖維檢測(cè)基本原理及系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

特種纖維密度檢測(cè)系統(tǒng)在特定溫度下采用光電法對(duì)不同的特種纖維進(jìn)行密度檢測(cè)。原理是在一定的光路下，介質(zhì)對(duì)光的吸收量和它的密度成比例。據(jù)此，特定光源對(duì)介質(zhì)發(fā)送一束光，經(jīng)不同介質(zhì)吸收后，光電傳感器接收到的光強(qiáng)度不一樣，從而產(chǎn)生不同的電信號(hào)，由此密度檢測(cè)問(wèn)題就變成電信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)問(wèn)題，根據(jù)檢測(cè)到的不同強(qiáng)度電信號(hào)，可以測(cè)量不同特種纖維的密度，圖1為測(cè)量電路。發(fā)射管發(fā)射出特定光源后，穿過(guò)檢測(cè)的特種纖維，接收管接收到的光強(qiáng)發(fā)生變化，產(chǎn)生大小不同的電信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后傳送至LPC1769進(jìn)行信號(hào)處理。由于檢測(cè)到的電信號(hào)強(qiáng)度差別微小且不同的特種纖維穿透力不同，所以在測(cè)量穿透性能較好的特種纖維時(shí)用紅外光的微型光電傳感器檢測(cè)，當(dāng)測(cè)量穿透性能不佳的特種纖維時(shí)，用紫外光微型光電傳感器，這樣有利于提高檢測(cè)精度。其次由于特種纖維在不同溫度下的密度也可能發(fā)生變化，因此必須要用到溫度傳感器測(cè)量實(shí)時(shí)溫度。

圖1 纖維測(cè)量電路

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分，兩部分分別制版，這樣有利于數(shù)據(jù)的精確采集和處理。數(shù)據(jù)采集部分采集3路數(shù)據(jù)，分別是微型光電傳感器數(shù)據(jù)，紫外光敏傳感器數(shù)據(jù)和溫度傳感器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換放大后送入到數(shù)據(jù)處理部分的微處理器進(jìn)行處理，通過(guò)顯示屏顯示輸出。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

特種纖維強(qiáng)密度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是以NXP公司的LPC1769作為控制核心，該處理器是基于Cortex－M3為內(nèi)核的32位處理器，有豐富的外圍模塊，適合于多種應(yīng)用領(lǐng)域。本系統(tǒng)的外圍模塊包括光電數(shù)據(jù)采集，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，紫外光敏數(shù)據(jù)采集，液晶顯示，電源模塊等。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

整個(gè)系統(tǒng)可以分為兩部分:模擬量輸入部分和高速信號(hào)處理部分。模擬量輸入部分主要任務(wù)是完成模擬量信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣。微型光電傳感器EESX1042采用光電法對(duì)纖維密度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，將采集到的模擬信息通過(guò)運(yùn)算放大后在LPC1769內(nèi)完成特定的數(shù)字信號(hào)處理算法。系統(tǒng)提供8通道12位的模擬量輸入通道，采樣電路完成數(shù)據(jù)采集后，LPC1769讀取采樣結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

特種纖維密度和溫度有著密切的關(guān)系，測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性建立在特定溫度下。系統(tǒng)溫度采集采用9位精度的DS18B20數(shù)字溫度計(jì)，其測(cè)量范圍從－55℃～+125℃，可在短時(shí)間內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。步進(jìn)電機(jī)控制特種纖維移動(dòng)，使微型光電傳感器對(duì)纖維密度數(shù)據(jù)進(jìn)行不同角度測(cè)量，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)采用的驅(qū)動(dòng)芯片是A3967SLB。一個(gè)A3967SLB即可驅(qū)動(dòng)一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)8細(xì)分驅(qū)動(dòng)。芯片內(nèi)部有PWM電流控制電路，把加在分頻器上的電壓設(shè)置為慢，快，混合三種電流衰減模式，其次A3967SLB還有完善的保護(hù)電路，包括抑制瞬態(tài)電壓，過(guò)熱保護(hù)，防止電流直通，欠電壓自鎖等功能［2］。此外該芯片和微處理器之間不需要附加其他接口電路，采用Easy Stepper接口，減少了步長(zhǎng)和方向控制線，只要簡(jiǎn)單地輸入控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖，其內(nèi)部的轉(zhuǎn)換器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

LPC1769的電源部分需要五種電壓源對(duì)其供電，分別是:

(1)內(nèi)核和外部通路所需的3.3V電源(3V3);

(2)內(nèi)部穩(wěn)壓器所需的3.3V電源(3V3);

(3)模擬部分所需的3.3V電源;

(4)模擬轉(zhuǎn)換器ADC所需的參考電源VREFP;

(5)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC所需的3.3V電源VBAT;

在本設(shè)計(jì)中采用LM2594穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換器電路作為電源模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的轉(zhuǎn)換，圖3是LM2594將5V直流電壓轉(zhuǎn)換成3.3V的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過(guò)RC濾波及肖特基二極管的穩(wěn)壓之后，LM2594能精確穩(wěn)定輸出所需要的3.3V電壓。

圖3 LM2594穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換電路

液晶顯示采用2.8寸彩色TFT觸摸屏，該觸摸屏支持16位總線接口，超高亮度鏡面屏，模擬IO控制，模塊上配置有ADS7843觸摸控制器，支持漢字，圖片和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以嵌入式Linux為基礎(chǔ)的，應(yīng)用Linux進(jìn)行應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，不但可以提高數(shù)據(jù)采集的可靠性，而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件也能快速處理，提高了系統(tǒng)的整體性能和抗干擾能力。纖維密度檢測(cè)程序流程圖如圖4所示。

圖4 纖維密度檢測(cè)流程圖

系統(tǒng)軟件部分的主要任務(wù)包括:Linux的移植和模塊應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。Linux內(nèi)核版本要在LPC1769處理器上成功運(yùn)行必須經(jīng)過(guò)裁剪，移植和編譯，制作的根文件系統(tǒng)不僅保留了Linux工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，而且可通過(guò)Ramdisk方式正常加載到內(nèi)核。模塊應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要是目標(biāo)及底層驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)的I/O功能設(shè)計(jì)編程，啟動(dòng)部分用匯編語(yǔ)言，其他程序都采用C語(yǔ)言編寫。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

針對(duì)特種纖維密度的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以LPC1768微處理器為心，運(yùn)用微光電法對(duì)密度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的系統(tǒng)。這種方法與傳統(tǒng)的纖維密度檢測(cè)方法相比，具有精確度高，操作方便快捷，成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)軟件升級(jí)，該系統(tǒng)也適用于紡織品等一些透光物質(zhì)密度的檢測(cè)。

［1］康華光，陳大欽，張林編，著.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］Christopher Hallinan.嵌入式 Linux基礎(chǔ)教程［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［3］楊柳春.基于ARM的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2010(6):68－70.

［4］趙運(yùn)福，劉慶想，張政權(quán).基于A3967SLB的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2006(9):134－135.

［5］鄒兵，侯加林，李民贊.基于光譜學(xué)和ARM的番茄葉綠素檢測(cè)儀的開(kāi)發(fā)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(12):223－226.

［6］楊閩，潘煒.基于光電法的淤泥密度探測(cè)儀的設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2011(5):47 －49.

［7］李偉，張公永.基于S3C2410的嵌入式織物密度檢測(cè)裝置研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(1):68 －70.

［8］蔡靜.光電傳感器的應(yīng)用［J］.科技傳播，2010(12):188.

［9］屠澄軼.一種基于LPC3250的智能電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(24):77 －79.

［10］王玉英.微型光傳感器［J］.光機(jī)電信息，2002(11):21－22.

［11］高蔭榆，陳鋼，阮榕生.特種纖維開(kāi)發(fā)與利用的研究進(jìn)展［J］.食品安全，2004(6):198－199.

［12］蔡海燕.嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)及其在綜導(dǎo)顯控臺(tái)中的應(yīng)用［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2007.