吳文娟,李致金

(1.南京林業(yè)大學 理學院，南京 210037；2.南京信息工程大學 人工智能學院,南京 210044)

0 引言

鋼網(wǎng)又稱SMT網(wǎng)板、SMT鋼網(wǎng)。它是用來定量分配錫膏或貼片膠的，是保證印刷錫膏或貼片紅膠質(zhì)量的關(guān)鍵工裝[1]。SMT鋼網(wǎng)表面張力大小直接影響生產(chǎn)印刷狀態(tài)，新導入的鋼網(wǎng)及日常使用中的鋼網(wǎng)均需對其進行張力測試、評估、以防止張力不足或過大影響印刷狀態(tài)。目前工業(yè)上鋼網(wǎng)張力檢測，一般采用指針式或數(shù)字式的張力計，測量鋼網(wǎng)四角和中心位置的張力，然后根據(jù)測量的張力大小調(diào)整鋼網(wǎng)的擴張和繃緊裝置，使得鋼網(wǎng)保持正確的張力。這種檢測方法是分立手動式的，效率很低。重要的是不能對鋼網(wǎng)使用中的張力進行在線檢測，不能實現(xiàn)鋼網(wǎng)使用中的智能化管理。因此本鋼網(wǎng)表面張力在線檢測系統(tǒng)具有首創(chuàng)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)實現(xiàn)鋼網(wǎng)表面張力在線檢測和數(shù)據(jù)智能化管理。實際使用中，將每塊鋼網(wǎng)上貼上含有鋼網(wǎng)相關(guān)信息的RFID標簽，RFID閱讀器閱讀到鋼網(wǎng)的標簽信息，并將讀取的信息傳輸至STM32F103C8T主控系統(tǒng)。數(shù)字式張力計依次放置鋼網(wǎng)4個角落以及中間位置，檢測放置位置的張力數(shù)據(jù)。主控系統(tǒng)將采集到的鋼網(wǎng)信息和張力數(shù)據(jù)通過藍牙模塊發(fā)送至手機或上位機中，手機APP或上位機管理系統(tǒng)處理接收的各點張力數(shù)據(jù)，實現(xiàn)鋼網(wǎng)信息以及張力數(shù)據(jù)的智能化管理。本系統(tǒng)設(shè)計包括：1)容柵式數(shù)字張力計；2)RFID標簽閱讀系統(tǒng)；3)系統(tǒng)主控系統(tǒng)；4)藍牙傳輸系統(tǒng)；5)鋰電池充電管理系統(tǒng)等電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 容柵式數(shù)字張力計

實現(xiàn)鋼網(wǎng)表面張力在線檢測和智能化管理，傳統(tǒng)的指針式張力計無法做到，需設(shè)計數(shù)字式張力計。容柵位移傳感器具有可靠、功耗低、體積小、重量輕、頻響速度快、安裝方便等優(yōu)點[2]。本系統(tǒng)采用GC7626集成芯片作為容柵式數(shù)字式張力計數(shù)據(jù)采集芯片，實現(xiàn)性價比高的便攜式數(shù)顯式張力檢測系統(tǒng)[3-4]。GC7626在模擬部分電路和數(shù)字運算處理部分做了很多改進，具有四舍五入取舍功能以消除 5 μm顯示誤差。與此同時，可實現(xiàn)低至 20 μA 的低功耗。通過芯片外部的選擇端來決定選用晶體振蕩器還是 RC 振蕩器，降低芯片應用成本。為了適應測量工具不同供電條件和功耗管理的需求，GC7626芯片提供多種用戶可選的手動和自動的斷電方式。GC7626采用高等級的工藝平臺和先進的電路設(shè)計，芯片工作主頻可提高到 280 kHz，可以滿足測量應用中快速響應的要求。芯片內(nèi)部集成的電路功能非常豐富，可提供多達 52 段 LCD 顯示符號，測量顯示范圍可達六位半，測量精度可達0.01 mm。同時備有串行接口輸出端，單片即可滿足各種精密測量工具的需求。

1.1.1 容柵式傳感器的基本原理

圖2 反射式容柵結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 GC7626數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)計GC7626為直線尺測量模式。設(shè)計原理如圖3所示。

圖3 GC7626控制原理圖

OUT1～OUT8為系統(tǒng)輸出接動尺發(fā)射極的1～8電極，COM1～4接液晶公共端，SEG0-SEG13接入液晶的段位腳。GC7626 通過電容傳感器來測量長度和角度(本設(shè)計設(shè)置為長度測量)。驅(qū)動器通過 OUT1～OUT8 終端傳輸調(diào)制信號到電容傳感器的鎖存電路，并從 TRANS 終端接收反饋信號。通過轉(zhuǎn)換相位差信號成長度(角度)數(shù)據(jù)，來顯示測量結(jié)果。測量精度可通過分辨率開關(guān)確定，設(shè)置值如表1所示。

表1 GC7276分辨率選擇定義

TRANS為反射電壓信號接收端TRANSDUCER，ZERO為復用數(shù)據(jù)時鐘端(CLK)，F(xiàn)AST為復用數(shù)據(jù)端(DATA)。需傳輸數(shù)據(jù)時，按下FAST鍵，F(xiàn)AST鍵低電平觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式，任意位置按下FAST，輸出數(shù)據(jù)組在慢速和快速之間轉(zhuǎn)換，慢速每秒鐘傳輸5組數(shù)據(jù)，快速每秒鐘傳輸37組數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)組傳輸結(jié)束后，系統(tǒng)進入等待傳輸狀態(tài)，直至下次FAST鍵按下。TRANS接定尺的輸入信號。

GC7626采用 ZERO、FAST 這兩個管腳做功能復用來改成了串行輸出測量數(shù)據(jù)信號。其中 ZERO 做串行同步信號，F(xiàn)AST 輸出測量數(shù)據(jù)信號。同步信號與數(shù)據(jù)信號波形入圖4所示。

圖4 GC7626C 串口同步時鐘和數(shù)據(jù)信號波形圖

1.1.3 主控系統(tǒng)

本系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，設(shè)計有：1)鋰電池充電電路；2)與張力計通信接口電路；3)鋰電池電量檢測電路；4)藍牙傳輸接口電路，設(shè)計電路圖如圖5所示。張力傳感器檢測到的張力數(shù)據(jù)通過ZERO(CLK)和FAST(DATA)接入數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，F(xiàn)AST、DATA)為OC輸出方式，因此本系統(tǒng)接口部分設(shè)計上拉電阻，如圖5所示。

鋰電池充電電路采用FS4056電池充電管理芯片進行設(shè)計，F(xiàn)S4056是一款高效的單節(jié)鋰電池充電管理芯片，采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。鋰電池最高可充到4.2 V，系統(tǒng)電壓是3.3 V。為此，檢測電池電壓時，電池電壓經(jīng)電阻R16、R18分壓后才可與STM32F103C8T6的PA1引腳連接進入AD轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)與手機APP采用藍牙通信，藍牙模塊選用DX_BT05-A模塊，該藍牙模塊采用美國TI公司CC2541芯片，配置256 Kb存儲空間，遵循V4.0 BLE藍牙規(guī)范。支持AT指令，用戶可根據(jù)需要更改串口波特率、設(shè)備名稱、配對密碼等參數(shù)。該模塊支持UART接口，并支持SPP藍牙串口協(xié)議，只需配備少許的外圍元件就能實現(xiàn)其強大功能。

2 RFID讀寫系統(tǒng)

每塊SMT鋼網(wǎng)貼有一塊含有該鋼網(wǎng)信息的RFID標簽。RFID讀寫系統(tǒng)采用13.56 MHz高頻電子標簽讀寫系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行讀寫操作，射頻輸出功率1 W，有效距離0.5 mm左右。本系統(tǒng)RFID閱讀器采用先進的標簽防碰撞算法，識別率高，速度快，每秒鐘可讀取80個標簽。RFID讀寫系統(tǒng)設(shè)計有一個串口，支持RS232或RS485串行通信協(xié)議。每張鋼網(wǎng)貼上標簽，標簽中寫入鋼網(wǎng)的相應信息。使用中，閱讀器讀取標簽中鋼網(wǎng)的相關(guān)信息，通過串口傳輸至本系統(tǒng)的主控系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)將相關(guān)數(shù)據(jù)打包后通過藍牙發(fā)送至手機APP(或上位機軟件系統(tǒng))中。

3 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)軟件包括：1)張力數(shù)據(jù)讀取程序；2)RFID閱讀器數(shù)據(jù)讀取程序；3)藍牙通信程序；4)鋰電池電量數(shù)據(jù)采集程序；5)手機APP程序；6)上位機管理程序。1)～4)程序為STM32F103C8T6主控芯片中程序，用C語言在KEIL C環(huán)境下編程。手機APP在安卓系統(tǒng)手機中利用JAVA語言編制。

3.1 張力數(shù)據(jù)讀取程序

GC7626輸出的DATA數(shù)據(jù)分為兩段，前半段數(shù)據(jù)是絕對位移量、后半段數(shù)據(jù)是相對位移量。絕對位移量表示從絕對零點到測試位置的絕對距離，相對位移量表示從相對零點到測試位置的距離，絕對零點是固定不變的，是上電后系統(tǒng)認定的點為零點；相對零點是靈活變化的，相對零點是從按鍵 ZERO 按下時的點為零點。數(shù)據(jù)前后兩段數(shù)據(jù)的讀取間隔是17T(T=6.5 μs)，在每次時鐘下降沿到來時進行一次數(shù)據(jù)讀取，其中需要采集的是后半段24位數(shù)據(jù)[8]。每個數(shù)據(jù)的寬度是2T，24位數(shù)據(jù)采用二進制編碼方式，低位在前、高位在后，最后位代表實際符號位(0代表正號、1代表負號)[9]。當讀取到的相對位移量的符號位為1(負號)時，需要先將讀取到的相對位移值進行翻轉(zhuǎn)處理之后再進行計算。

主控芯片STM32F103C8T6自動讀取GC7626測量的張力數(shù)據(jù)。STM32F103C8T6先將DATA(PB7)設(shè)置為輸出模式，給出脈沖低電平(模擬按鍵按下)，然后將DATA(PB7)設(shè)置為輸入模式接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動讀取。數(shù)據(jù)讀取按24位打包，然后按圖4的數(shù)據(jù)格式解包。

3.2 鋰電池電量數(shù)據(jù)采集程序

STM32F103C8T6提供3個12 bit位AD轉(zhuǎn)換器，此鋰電池電量數(shù)據(jù)采集時選用的是ADC1轉(zhuǎn)換器。鋰電池電量數(shù)據(jù)采集程序分為ADC1驅(qū)動和電量采集驅(qū)動兩部分。在ADC1驅(qū)動中又分為讀取ADC1通道采集的電量數(shù)值和ADC1的初始化。根據(jù)求平均值的次數(shù)對讀取的ADC1通道采集數(shù)值進行累加并對其求多次平均值作為ADC1通道讀取的電量數(shù)值。電量采集程序部分先依據(jù)采集次數(shù)進行累加ADC1通道讀取的電量數(shù)值，再由每次采集次數(shù)求出電量平均值。

3.3 主控系統(tǒng)軟件

主控系統(tǒng)將讀取的鋼網(wǎng)標簽數(shù)據(jù)、張力計測量數(shù)據(jù)及電池電量數(shù)據(jù)按自定的通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送至手機或上位機中。系統(tǒng)依次測量鋼網(wǎng)左上、右上、左下、右下、中間5個位置的張力數(shù)據(jù)。張力數(shù)據(jù)測量時，拿起張力計時，由于數(shù)據(jù)變化較大，主控系統(tǒng)自動進入數(shù)據(jù)待傳輸狀態(tài)，放下張力計后，數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動進入通信程序，其流程如圖6～7所示。

圖6 主控系統(tǒng)軟件流程圖

圖7 主控系統(tǒng)軟件流程圖

4 手機APP系統(tǒng)

藍牙作為一種短距離的無線通訊技術(shù)已經(jīng)在電子設(shè)備中得到廣泛應用，其能夠?qū)⒉煌O(shè)備連接起來，克服了有線傳輸線的限制[10]。本系統(tǒng)基于Android系統(tǒng)手機開發(fā)了一套鋼網(wǎng)表面張力管理APP。APP系統(tǒng)主要包括：1)與數(shù)字張力計藍牙模塊數(shù)據(jù)通信部分；2)鋼網(wǎng)表面RFID標簽識別，識別碼通過藍牙發(fā)送至手機APP中；3)鋼網(wǎng)管理信息庫。手機APP系統(tǒng)首先接收藍牙傳過來的鋼網(wǎng)的RFID識別碼，并以該RFID識別碼建立相應鋼網(wǎng)信息庫[11]。手機APP實時接收張力計檢測的鋼網(wǎng)表面張力值，將該值實時存入對應RFID識別碼編碼的鋼網(wǎng)信息庫中，通過將該數(shù)值與預先設(shè)定的標準張力閾值進行比對，判斷該點張力數(shù)據(jù)是否標準。如不在標準范圍內(nèi)，則在界面上輸出相應的報警信息。當鋼網(wǎng)張力數(shù)據(jù)標準時，系統(tǒng)將數(shù)字存入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，程序流程如圖6～7所示。

為了實現(xiàn)鋼網(wǎng)管理系統(tǒng)的智能化，系統(tǒng)在APP界面中設(shè)計了操作員工二維碼或條形碼工號閱讀功能。實際工作時，操作員先用手機掃描自己工號二維碼或條碼，只有有權(quán)限的操作元才能操作在線檢測系統(tǒng)，從而真正實現(xiàn)鋼網(wǎng)生產(chǎn)管理的智能化。鋼網(wǎng)管理APP管理主界面如圖8所示。

圖8 手機APP管理界面

5 實驗結(jié)果與分析

本系統(tǒng)為PCB印刷中SMT鋼網(wǎng)表面張力智能測試系統(tǒng)。實際應用中。操作人員手機上安裝自主研發(fā)的配套的APP，操作員打開APP操作系統(tǒng)后，用攝像頭先掃描自己的二維碼或條碼工號，輸入相應口令后進入手機操作系統(tǒng)。為了防止張力計本身誤差引起的鋼網(wǎng)張力測量不準，本系統(tǒng)進行張力測量時需操作員輸入測試張力計編號，以便張力測量問題追溯。完成以上操作后，操作員將SMT鋼網(wǎng)搬至RFID閱讀器的閱讀范圍里，閱讀器讀取鋼網(wǎng)編號，并顯示在屏幕上。鋼網(wǎng)張力測量時，一般需測量5個值，即4個角落張力以及中間部位張力，如圖8所示。采用本系統(tǒng)測量的張力數(shù)據(jù)與品牌STG-80NA張力計測量張力數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 張力測量對照表

由表2可看出，測量同一點表面張力時，本系統(tǒng)研制的張力測量系統(tǒng)達到測量精度的要求，完全可用于SMT鋼網(wǎng)表面的張力測量。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計一套自動數(shù)字式鋼網(wǎng)表面張力在線檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計容柵式數(shù)字張力計、張力計數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、鋼網(wǎng)標簽閱讀系統(tǒng)、表面張力在線檢測軟件系統(tǒng)、手機APP系統(tǒng)等組成部分。通過容柵式數(shù)字張力計、鋼網(wǎng)標簽信息、手機APP系統(tǒng)三者協(xié)同工作，解決了工業(yè)生產(chǎn)印刷時鋼網(wǎng)表面張力無法實時檢測的難題，解決了鋼網(wǎng)生產(chǎn)時智能化管理的核心問題。本系統(tǒng)在實際鋼網(wǎng)生產(chǎn)中已通過計量認證并投入使用，提高了工廠生產(chǎn)效率和自動化水平，為協(xié)作單位帶來了可觀的經(jīng)濟效益。