史先傳,徐鎮(zhèn)冬,蘇勝輝,董 沖

(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 常州 213000)

織物在染色、整理過程中,由于連續(xù)處于牽引狀態(tài),受各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)及生產(chǎn)操作的影響,經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生緯紗歪斜彎曲的現(xiàn)象,進(jìn)而直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。為克服上述缺點(diǎn),織物必須經(jīng)過整緯設(shè)備處理,整緯設(shè)備的核心檢測(cè)部件是光電檢測(cè)頭,位于整緯設(shè)備的機(jī)架上。若光電檢測(cè)頭設(shè)計(jì)不合理,不僅無法采集到精確的信號(hào),還將導(dǎo)致整緯設(shè)備無法判斷織物變形情況,極大影響工作效率和加工成本。

目前在整緯設(shè)備光電檢測(cè)頭方面已有一定的研究:周正元等提出采用四只以集成式硅光電池為檢測(cè)元件的光電檢測(cè)頭采集織物信息進(jìn)而提高檢測(cè)精度[1];劉洲峰等提出采用CCD攝像頭采集運(yùn)動(dòng)中的織物圖像,通過圖像處理技術(shù)計(jì)算緯斜角度[2];鄧玉等提出采用旋轉(zhuǎn)式狹縫檢測(cè)頭取代固定狹縫檢測(cè),適用于厚度較薄、透光性好的織物;土耳其DEBA公司利用PLEVA探測(cè)頭進(jìn)行在線檢測(cè)與控制,達(dá)到在線控制的目的[3];日本DENSIMATIC整緯設(shè)備檢測(cè)頭采用波紋檢測(cè)與縮放式細(xì)縫檢測(cè)兩種檢測(cè)功能的雙模式檢測(cè)方式。上述文獻(xiàn)通過優(yōu)化光電檢測(cè)頭的檢測(cè)方式、增加光電檢測(cè)頭的數(shù)量或更新檢測(cè)元件來獲得較高的檢測(cè)精度,但是少有相關(guān)針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)一種基于STM32芯片的光電檢測(cè)頭,CPU型號(hào)為STM32F103RBT6。將采集到的信號(hào)送至STM32芯片進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)弱和通道位置的計(jì)算,上位機(jī)再根據(jù)光電檢測(cè)頭計(jì)算結(jié)果得出對(duì)應(yīng)的斜度、彎度,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行矯正,很大程度上減輕上位機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān),在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了良好的整緯效果。

1 整機(jī)工作流程及原理

光電整緯設(shè)備是集光學(xué)、電子、自動(dòng)控制、機(jī)械等技術(shù)于一體,用于矯正緯斜、緯彎的紡織儀器[4],整緯設(shè)備簡單示意圖如圖1所示。

1.1 工作流程

織物緯紗既然在加工的過程中產(chǎn)生緯紗變形,而將緯紗變形減少到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)或者把變形消除,這個(gè)過程就稱為織物整緯,光電整緯裝置的整緯是由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接實(shí)現(xiàn)的?？椢镞M(jìn)入布輥后,依次交叉穿過矯斜輥與矯彎輥,再穿過光電檢測(cè)頭、光源之間后,經(jīng)出布輥導(dǎo)出,緯紗變形得到矯正,如圖1所示,再進(jìn)入下一工藝流程設(shè)備,如烘干機(jī)、定型機(jī)等。

圖1 光電整緯設(shè)備示意圖

1.2 光電檢測(cè)原理

光電檢測(cè)原理是利用光電透射式檢測(cè)方式,將光電檢測(cè)頭,如圖2所示,和光源分別水平相對(duì)放置在織物緯紗的兩側(cè)[5],光電檢測(cè)頭中裝有硅光電池,光源發(fā)出的平行光照射到織物緯紗上時(shí),織物緯紗的影像成像到硅光電池上,將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送至光電檢測(cè)頭中的放大電路板。硅光電池共有十三路,如圖2所示,從上往下排列為+13°,+10.5°,+8°,+5.5°,+3.5°,+1.5°,0°,-1.5°,-3.5°,-5.5°,-8°,-10.5°,-13°,依次代表第1路至第13路,若織物緯紗的像與其中一個(gè)硅光電池條的方向一致,則輸出的信號(hào)幅度最大,輸出信號(hào)最大者,對(duì)應(yīng)緯紗傾角的大小[6]。例如,光電檢測(cè)頭的第8路信號(hào)幅度最大,則表示緯紗偏角為-1.5°。

圖2 光電檢測(cè)頭示意圖

圖3 測(cè)頭內(nèi)的硅光電池排列圖

1.3 矯正原理

緯紗變形的基本類型主要有緯斜、緯彎兩種。緯紗兩側(cè)產(chǎn)生行程差就是所謂的緯斜,緯紗中間對(duì)兩側(cè)產(chǎn)生行程差就是所謂的緯彎,常見的織物緯紗變形主要有四種,通常將緯紗左側(cè)超前右側(cè)滯后的狀態(tài)稱為左斜,將緯紗右側(cè)超前左側(cè)滯后的狀態(tài)稱為右斜,將緯紗中間超前兩側(cè)滯后的狀態(tài)稱為上彎,將緯紗兩側(cè)超前中間滯后的狀態(tài)稱為下彎。如圖4(a)所示,此時(shí)緯斜矯正電機(jī)拖動(dòng)矯正輥?zhàn)髋c緯紗變形相反的運(yùn)動(dòng),使得左側(cè)緯紗行程距離減小,右側(cè)緯紗行程距離增大,從而令緯紗變形得到矯正[7-10]。圖4(b)～圖4(d)矯正原理同理可知。

圖4 矯正原理示意圖

2 光電檢測(cè)頭硬件設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)頭硬件設(shè)計(jì)為PCB電路板設(shè)計(jì),起到了將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大處理的作用[11]。

2.1 放大電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算

光電檢測(cè)頭的放大電路是對(duì)硅光電池產(chǎn)生的微弱電信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理,一共分為5級(jí)。如圖5所示。

圖5 放大電路示意圖

①第一級(jí)前置放大電路由反相輸入一階有源低通濾波器構(gòu)成,輸入信號(hào)中有干擾雜波,并且信號(hào)很小,故濾波電路與放大器設(shè)計(jì)在一起,從而達(dá)到去除干擾雜波,放大信號(hào)的效果,可知硅光電池短路電流最大有效值iI約為0.01 μA,根據(jù)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)的分析依據(jù),因此第一級(jí)前置放大電路輸出電壓為:

②第二級(jí)主放大電路由同相比例運(yùn)算電路構(gòu)成,放大倍數(shù)為:

③第三級(jí)主放大電路同樣由同相比例運(yùn)算電路所構(gòu)成,放大倍數(shù)為:

④第四級(jí)主放大電路由半波整流電路構(gòu)成,由反相比例運(yùn)算電路和二極管的性質(zhì)可知,放大倍數(shù)為:

⑤第五級(jí)主放大電路由電壓跟隨器電路構(gòu)成,放大倍數(shù)為1。

綜上所述,經(jīng)過光電檢測(cè)頭放大電路放大后的輸出電壓為直流電壓,其值為:

U0=1.5×101×1.95×10 mV≈3 V

輸出信號(hào)范圍一般在2.8 V～4.6 V,滿足設(shè)計(jì)要求。原理圖中的CEL01接至硅光電池的第一路,IN1接至STM32芯片可復(fù)用的AD端口。基于STM32F103RBT6的光電檢測(cè)頭完成了硬件選用和放大電路的設(shè)計(jì)后,采用軟件對(duì)其電路進(jìn)行仿真,利用Proteus 8 Professional軟件對(duì)其進(jìn)行仿真,在Proteus中繪制電路原理圖,仿真電路如圖6所示[12]。用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一正弦波信號(hào),調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)念l率及電壓,接入放大電路的輸入端。四通道示波器分別將四路接至第一級(jí)、第三級(jí)、第四級(jí)、第五級(jí)放大電路輸出端,觀察輸出波形變化結(jié)果如圖7所示。

圖6 仿真原理示意圖

圖7 仿真波形示意圖

2.2 通信電路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制方案,信號(hào)在光電檢測(cè)頭放大板上經(jīng)過濾波、放大、整流后,先傳送至調(diào)光控制器,調(diào)光控制器根據(jù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)可對(duì)光源進(jìn)行調(diào)光,再將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行處理。所以需要完成光電檢測(cè)頭與調(diào)光控制器通信電路的設(shè)計(jì),二者通過RS485進(jìn)行通信。具體硬件電路設(shè)計(jì)如圖8所示,采用MAX3485通訊接口芯片,CRTL485、TX、RX分別連接至STM32F103RBT6的PA8、PA9、PA10端,485A,485B與調(diào)光控制器連接通信,右側(cè)供電端子分別接至對(duì)應(yīng)的開關(guān)電源加以供電。

圖8 通信電路示意圖

3 光電檢測(cè)頭軟件設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)頭主要程序包括主程序和中斷子程序。

3.1 主程序

圖9為主程序流程圖,主程序主要完成系統(tǒng)初始化任務(wù)并進(jìn)入死循環(huán)等待IWDG重裝載計(jì)數(shù)值的到來,期間如果滿足中斷條件,當(dāng)前主程序暫停,跳轉(zhuǎn)到中斷入口,執(zhí)行中斷子程序,中斷完成后接著主程序繼續(xù)運(yùn)行,中斷的運(yùn)用是系統(tǒng)程序運(yùn)行的重點(diǎn)所在。中斷子程序包括定時(shí)器3(TIM3)中斷子程序、串口(USART)中斷子程序、直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)中斷子程序。

圖9 主程序流程圖

3.2 定時(shí)器與通信程序

光電檢測(cè)頭程序設(shè)計(jì)采用STM32普通定時(shí)器3產(chǎn)生1 ms中斷,用以每隔1 ms準(zhǔn)備發(fā)送一次數(shù)據(jù)至調(diào)光控制器,定時(shí)器3時(shí)鐘使能和中斷優(yōu)先級(jí)配置已在main()函數(shù)的外設(shè)時(shí)鐘初始化、嵌套向量中斷控制器(NVIC)初始化中完成,時(shí)基配置步驟如下:初始化定時(shí)器參數(shù):設(shè)置自動(dòng)重裝載值、分頻系數(shù)、計(jì)數(shù)方式等;允許定時(shí)器更新中斷;允許定時(shí)器工作即使能TIM3;編寫中斷服務(wù)函數(shù),通過該函數(shù)來處理定時(shí)器3每隔1 ms產(chǎn)生的相關(guān)中斷。

光電檢測(cè)頭與調(diào)光控制器通過RS485實(shí)現(xiàn)通信,使用STM32的串口來接收和發(fā)送數(shù)據(jù),波特率為115 200,字長為8位數(shù)據(jù)格式,1個(gè)停止位,無奇偶校驗(yàn)位,無硬件流控制,收發(fā)模式。通信程序?qū)?shí)現(xiàn)如下功能:光電檢測(cè)頭通過串口和調(diào)光控制器對(duì)話,在收到調(diào)光控制器發(fā)來的字節(jié)后,通過定時(shí)器3每隔1 ms將所需要發(fā)送的字節(jié)包含13路通道的均值、極值均值、極值出現(xiàn)次數(shù)最多的通道位置共15個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送至調(diào)光控制器。

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序

由光電檢測(cè)原理可知,光源發(fā)出的平行光穿過被測(cè)織物,照射在硅光電池上,硅光電池將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再送至光電檢測(cè)頭的放大電路板上進(jìn)行放大處理,因此需要讀取硅光電池的13路模擬信號(hào)。通過STM32的ADC1連續(xù)采集13路模擬信號(hào),ADC轉(zhuǎn)換分辨率采用8位,因此采樣結(jié)果就在0-255之間[13-14]。再通過DMA將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中,減少CPU的負(fù)荷同時(shí)增加采樣速度,最后通過串口傳輸出最后轉(zhuǎn)換的結(jié)果[15]。

在main()函數(shù)的初始化部分完成ADC和DMA相關(guān)設(shè)置,模數(shù)轉(zhuǎn)換通道采樣200次,使能了DMA1傳輸完成TC1中斷。本文提出一種“極值運(yùn)算—位置判定”的控制算法用于光電檢測(cè)頭的程序設(shè)計(jì),在DMA1中斷服務(wù)程序中讀取中斷標(biāo)志位,如果傳輸完成TC1標(biāo)志位置位,則根據(jù)第一組采樣點(diǎn)數(shù)值計(jì)算出ADC1的13路通道極值,若極值出現(xiàn)在通道1,則通道1出現(xiàn)極值的次數(shù)加一;若極值出現(xiàn)在通道2,則通道2出現(xiàn)極值的次數(shù)加一,通道3至通道13以此類推。數(shù)據(jù)采樣200組,總計(jì)判定200次極值出現(xiàn)在哪一路通道,計(jì)算200組中哪一路通道極值出現(xiàn)的次數(shù)最多,該通道的位置對(duì)應(yīng)緯紗偏角的大小。將計(jì)算出的數(shù)據(jù)并存放于對(duì)應(yīng)的數(shù)組中,以此準(zhǔn)備好需要發(fā)送的數(shù)據(jù)?？刂扑惴鞒倘鐖D10所示。

圖10 極值運(yùn)算—位置判定示意圖

4 測(cè)試與分析

光電信號(hào)放大后的效果尤為重要,將直接影響到整緯效果。為有效評(píng)定光電檢測(cè)頭的檢測(cè)效果,對(duì)光電檢測(cè)頭采集到的信號(hào)進(jìn)行記錄分析,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證,本設(shè)計(jì)光電檢測(cè)頭部分采集信號(hào)效果很好,滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 采樣數(shù)據(jù)均值圖

為評(píng)定光電檢測(cè)頭的信號(hào)采集效果,將其利用ADC功能采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至串口,通過串口調(diào)試助手顯示數(shù)據(jù)。信號(hào)數(shù)據(jù)共有13組,對(duì)應(yīng)13路硅光電池通道,每路通道采集200次,即采集一次共計(jì)2 600個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)織物這一范圍的緯紗變形情況。在串口調(diào)試助手中向光電檢測(cè)頭發(fā)送4 byte的數(shù)據(jù),以此來替代調(diào)光控制器向光電檢測(cè)頭發(fā)送數(shù)據(jù)的過程,光電檢測(cè)頭會(huì)發(fā)送2 600個(gè)數(shù)據(jù)至串口調(diào)試助手,每隔5 s記錄一次數(shù)據(jù),繪制成圖,圖11為各路通道采樣數(shù)據(jù)均值圖?？梢园l(fā)現(xiàn),光電檢測(cè)頭的第5路信號(hào)幅度最大,則表示緯紗偏角為+3.5°,如果最大信號(hào)出現(xiàn)在其他路通道,則表示其對(duì)應(yīng)的緯紗偏斜角度。

圖11 采樣數(shù)據(jù)均值圖

4.2 速度對(duì)光電信號(hào)的影響

在實(shí)際運(yùn)行中,會(huì)發(fā)現(xiàn)諸多因素均會(huì)對(duì)光電信號(hào)產(chǎn)生影響,如織物運(yùn)行速度,織物透光性以及織物紋理等。采用控制變量的研究方法,保持光源值不變即織物透光性一定,分別測(cè)定織物運(yùn)行速度在30 m/min,50 m/min,70 m/min情況下光電信號(hào)的變化情況,繪制出不同布速時(shí)各路通道信號(hào)變化圖,如圖12所示?？梢园l(fā)現(xiàn),織物在不同運(yùn)行速度下,產(chǎn)生的光電信號(hào)強(qiáng)弱不同。v=30 m/min時(shí),信號(hào)幅度較弱,v=50 m/min時(shí),信號(hào)幅度較強(qiáng),v=70 m/min時(shí),信號(hào)幅度很強(qiáng)。可以看出,速度越快,光電檢測(cè)頭從織物上采集到的信號(hào)范圍越大,信號(hào)也更加精確,有效地提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

圖12 不同布速時(shí)信號(hào)變化圖

4.3 透光性對(duì)光電信號(hào)的影響

保持織物運(yùn)行速度不變,分別測(cè)定織物在光源值為50、100、150、200、255情況下光電信號(hào)的變化情況,繪制出不同光源值時(shí)各路通道信號(hào)變化圖,如圖13所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在光源值較低的情況下,信號(hào)幅度很小或幾乎沒有信號(hào);在光源值設(shè)定為最高即255的情況下,13路通道信號(hào)值均達(dá)到最大,無法檢測(cè)織物彎斜情況;只有在合適的光源值時(shí),信號(hào)幅度情況良好。因此可以看出,不同的織物透光性不同,需要給其合適的光源值。

圖13 不同光源值時(shí)信號(hào)變化圖

在實(shí)際運(yùn)行中,織物運(yùn)行速度、透光性等因素均會(huì)對(duì)光電信號(hào)產(chǎn)生影響,在光電整緯設(shè)備正常作業(yè)時(shí),需將檢測(cè)頭的鏡片擦拭干凈,將其位置調(diào)整至最佳,確保所有檢測(cè)頭前都有織物經(jīng)過,避免織物跑偏,將布速維持在70 m/min左右。光源值根據(jù)具體織物的透光性能調(diào)節(jié),透光性較差的織物需提高光源值,透光性較好的織物可降低光源值,觀察信號(hào)強(qiáng)弱,將影響因素降為最小。

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)光電檢測(cè)頭在光電整緯領(lǐng)域檢測(cè)能力較弱的問題,設(shè)計(jì)一種以STM32F103RBT6為核心處理芯片的光電檢測(cè)頭,對(duì)整機(jī)工作流程及光電檢測(cè)頭的工作原理進(jìn)行全面研究,提出相應(yīng)的檢測(cè)及控制方案。

光電檢測(cè)頭采用新穎的集成電路,軟件部分的模數(shù)轉(zhuǎn)換采用DMA傳輸方式,程序占用CPU時(shí)間少。提出一種“極值運(yùn)算—位置判定”的控制算法,并應(yīng)用于STM32的軟件設(shè)計(jì)中,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該光電檢測(cè)頭在合理的布速與光源值采集到的信號(hào)是精確的,檢測(cè)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的光電檢測(cè)頭,已在企業(yè)中得到應(yīng)用,具有很高的性價(jià)比和推廣價(jià)值。

后續(xù)工作將圍繞增大該光電檢測(cè)頭的適用范圍及升級(jí)核心處理器展開,進(jìn)一步提高光電檢測(cè)頭的適用性和處理數(shù)據(jù)速度。