光電檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光電檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號：專業(yè)：光電分選機(jī)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要光電分選機(jī)是一種利用光電技術(shù)分析識別物料的品質(zhì)優(yōu)劣,并利用壓縮空氣將劣質(zhì)物料剔除的高科技設(shè)備。被廣泛應(yīng)用在顆粒狀物料品質(zhì)檢測與分級領(lǐng)域,可有效提高物料的品質(zhì)等級,增加其附加值,提高加工技術(shù)的自動(dòng)化程度,具有很好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)中主要對光電分選機(jī)的檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種以Xilinx公司的FPGA芯片XC3S200和高速線陣CCD傳感器為核心的光電檢測系統(tǒng)。它的主要功能是通過CCD傳感器對高速下落的顆粒狀物料進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描,由圖像數(shù)字轉(zhuǎn)換器對CCD輸出信號進(jìn)行信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA對轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理,完成剔除信號的輸出。文中主要對監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分做了設(shè)計(jì)，包括：以FPGA為核心的硬件電路的設(shè)計(jì)，線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，圖像數(shù)字轉(zhuǎn)換器控制接口電路的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸中同步串行通信電路的設(shè)計(jì)。第一章光電分選機(jī)系統(tǒng)1.1光電分選機(jī)工作原理在光電分選機(jī)工作前,用戶首先通過觸摸屏設(shè)定被分選物種的分選參數(shù)。在分選過程中,被選物料首先由進(jìn)料斗通過電磁振動(dòng)給料器配送到各個(gè)分選通道中的溜槽,經(jīng)過溜槽的加速運(yùn)動(dòng)后，物料以恒定的速度下落進(jìn)入光電檢測系統(tǒng)。光電檢測系統(tǒng)在特制燈光的照射下,前后兩個(gè)CCD傳感器對下落的物料進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描,將掃描的模擬視頻電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再將得到的數(shù)字視頻信號經(jīng)過濾波和識別處理,輸出檢測判別信號。判別信號到達(dá)噴射氣槍的延遲時(shí)間正好等于不合格物料從視鏡下落至噴射氣槍之間的時(shí)間,當(dāng)次品到達(dá)噴射器位置時(shí),氣槍噴嘴噴射高速氣流,將次品吹出,使其落入次品槽,而合格品繼續(xù)下落并進(jìn)入合格品槽,從而完成物料的一次分選。為了提高分選精度,落入次品槽的物料可以進(jìn)行二次分選,同時(shí)在分選過程中,還可以通過觸摸屏對分選參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié),以使分選效果達(dá)到最佳。下圖為分選過程示意圖。圖1.1分選過程示意圖1）振動(dòng)給料器2）滑道3）光源4）光電傳感器5）背景板6）噴射氣槍7）次品槽8）合格品槽9）觸摸屏1.2工藝指標(biāo)的確定光電分選機(jī)的工作指標(biāo)主要有以下三個(gè)方面:(l)處理量處理量即每小時(shí)可處理的物料數(shù)量,單位為t/h。(2)選出率選出率指從原料中選出的雜質(zhì)數(shù)量占所含雜質(zhì)總量的百分?jǐn)?shù),也叫色選精度。(3)帶出比帶出比是指色選機(jī)選出的廢料中雜質(zhì)數(shù)量與正常米?；螓溋Ｖ?。帶出比的高低是可以設(shè)定的,一般為3/1一5/1左右。1.3光電分選機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)光電分選機(jī)的形式多種多樣,但從工作原理和工作過程來看,主要由供料系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、電控系統(tǒng)四部分組成。光電分選機(jī)整機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示,除了以上提及的組成部分外,還包括人機(jī)交互界面和主控制器。圖1.2整機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(1)供料系統(tǒng)供料系統(tǒng)將對被測物料整理調(diào)節(jié),使其流速與個(gè)體姿態(tài)保持相對穩(wěn)定,保證物料顆粒能而XC95108包含108個(gè)宏單元。該設(shè)計(jì)中FPGA采用的是JTAG和主串配置模式配置。當(dāng)采用主串配置模式時(shí),系統(tǒng)采用的外部配置存儲器芯片是XCF01S。2.2CCD硬件設(shè)計(jì)根據(jù)光電分選機(jī)的工作原理,我們在線陣CCD傳感器的選擇上著重考慮了以下幾個(gè)性能參數(shù):工作速率、分辨率、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。因?yàn)橛涗浀氖强焖龠\(yùn)動(dòng)目標(biāo),故對所用CCD的掃描速度有很高的要求。分辨率的高低則直接影響著掃描圖像的細(xì)節(jié)再現(xiàn)程度。由于器件工作頻率高,故光積分時(shí)間較短,只有選用靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大的CCD才能保證輸出視頻信號不被淹沒于暗電流噪聲中,確保掃描圖像的質(zhì)量。該設(shè)計(jì)選用的CCD器件是RLI024P。RL1024P是PerkinElmer公司的P系列高速線陣CCD,其光譜響應(yīng)范圍是250-1000nm,像素讀出率高迭40MHz,行讀出率可達(dá)35KHz,像素大小為14μm,陣列中有1024個(gè)有效像素,具有電子曝光控制門,具有低噪聲、高速度、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。CCD設(shè)計(jì)包括兩部分,一部分是CCD的時(shí)序邏輯,另一部分是CCD的電平驅(qū)動(dòng)電路。CCD的時(shí)序邏輯都由FPGA發(fā)生。FPGA發(fā)出的信號電平是3.3V,CCD卻需要4種不同的驅(qū)動(dòng)電平，如表2.1所示，因此,從FPGA發(fā)出的信號在進(jìn)入CCD之前,必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。表2.1RL1024P驅(qū)動(dòng)電壓列表FPGA發(fā)出的3.3V信號驅(qū)動(dòng)到上述4種電平,可以采用PI74FCT16244TV電平驅(qū)動(dòng)芯片來產(chǎn)生相關(guān)的電平。PI74FCT16244TV是16hit的快速CMOS線驅(qū)動(dòng)器,可以增加輸出電流驅(qū)動(dòng)能力,應(yīng)用在P11、P22和YR的單極性時(shí)鐘輸出(要求驅(qū)動(dòng)電平為OV或5V),它的信號時(shí)鐘頻率可高達(dá)40MHz。在CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序中,P11、P22和YR的信號驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率都為10MHz,均滿足P174FCT16244TV信號時(shí)鐘頻率范圍。NEC公司生產(chǎn)的超低噪聲雙運(yùn)算放大器4570,可以將它設(shè)置成電壓跟隨器。通過設(shè)置運(yùn)放的正輸入端的電壓(電阻分壓法),將輸入的士12V分壓到需要的8V和士4V。DG642是TTL驅(qū)動(dòng)器,雙向模擬開關(guān),時(shí)鐘上限頻率達(dá)10MHz,剛好滿足該設(shè)計(jì)的要求。它應(yīng)用在Pab、Ptg和Ppg的雙極性時(shí)鐘信號輸出。通過設(shè)置DG642的開關(guān)兩端電平為4570的輸出電平,FPGA發(fā)出的信號(OV和3.3V)經(jīng)過模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換為表2.1中要求的8V和士4V。下圖2.2所示為該設(shè)計(jì)中CCD驅(qū)動(dòng)模塊的硬件電路原理圖,此硬件電路提供CCD需要的4種不同驅(qū)動(dòng)電平,圖中標(biāo)號為Ul的管腳為FPGA的輸出端,用于提供CCD正常工作時(shí)所需的時(shí)序脈沖。圖2.2CCD驅(qū)動(dòng)電路硬件原理圖2.3圖像數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)中選用的是Exar公司生產(chǎn)的圖像數(shù)字轉(zhuǎn)換器XRD98L59。該器件是低功耗的數(shù)字式動(dòng)靜態(tài)的CCD圖像轉(zhuǎn)換器,它包含有相關(guān)雙采樣器、可編程增益的PGA,10-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及有啞像元平均器、噪點(diǎn)像元切割器和數(shù)字噪聲抑制濾波器的自動(dòng)偏移校正電路等功能。下介紹XRD98L59的功能和參數(shù)設(shè)置:(l)串行控制接口設(shè)置XRD98L59內(nèi)部有10個(gè)8-hit控制寄存器,所有工作參數(shù)都是通過設(shè)置這些內(nèi)部寄存器。初始化內(nèi)部寄存器是通過XRD98L59提供的SPI接口來完成的。SPI接口有讀寫控制信號分別為LOAD(鎖存信號)、SDI(數(shù)據(jù))和SCLK(移位時(shí)鐘)。圖2.3為串行接口時(shí)序圖,接口采用12-bit移位寄存器,前4-bit為地址碼,后8-bit為數(shù)據(jù)位。XRD98L59的SPI接口與XC3S200的普通IO口相連接,通過FPGA提供的時(shí)序來初始化A/D內(nèi)部的控制寄存器。圖2.3串行接口時(shí)序圖(2)相關(guān)雙采樣設(shè)置XRD98L59提供兩個(gè)時(shí)序接口管腳,一個(gè)是采樣CCD的黑電平時(shí)鐘(SBLK),另一個(gè)是采樣CCD有效信號電平的時(shí)鐘(SPIX)。兩個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)序都是通過FPGA來提供。改變地址序號為0011的寄存器內(nèi)容,可以設(shè)定時(shí)鐘的上升沿還是下降沿采樣。通過設(shè)置地址序號為0010的寄存器的高6位數(shù)據(jù)可以設(shè)定實(shí)際采樣點(diǎn)的位置與采樣時(shí)鐘沿的孔徑延遲時(shí)間?？讖窖舆t時(shí)間可設(shè)定的范圍在2.7ns一17.5ns之間。(3)可編程增益控制XRD98L59內(nèi)部集成了兩級可編程放大器PGA1和PGA2,可以對CCD圖像傳感器的輸出信號進(jìn)行放大。兩個(gè)放大器總的放大倍數(shù)可以在6dB一38dB之間調(diào)整,調(diào)整的步長值為O.125dB。2.4通信電路設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)中的通信電路是根據(jù)3線制的同步串行通信接口協(xié)議設(shè)計(jì)的,這三個(gè)接口信號分別是串行數(shù)據(jù)、移位時(shí)鐘、使能信號。由于通信線路比較長,容易受到電控系統(tǒng)的干擾,所以采用差分電路傳輸信號。AM26L31是Texas儀器公司生產(chǎn)的線性的四重差分發(fā)送驅(qū)動(dòng)器,AM26L32是接收驅(qū)動(dòng)器。圖2.4所示的是在通信傳輸過程中,通過傳輸線連接的AM26L31和AM26L32的其中一個(gè)差分驅(qū)動(dòng)器的電路圖。當(dāng)主控制器通過三線同步串行通信接口向檢測系統(tǒng)(FPGA)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),輸入數(shù)據(jù)X到AM26L31的發(fā)送驅(qū)動(dòng)器,接收端通過AM26L32的接收驅(qū)動(dòng)器接收數(shù)據(jù)X,最后數(shù)據(jù)輸出X連接到FPGA的管腳。圖2.4AM26L31和AM26L32的電路連接圖2.5氣槍驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)高壓氣槍作用是噴射剔除不合格物料。氣槍噴射是通過控制高速電磁閥的動(dòng)作來完成的。因此高速電磁閥是氣槍驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部分,CPLD氣槍驅(qū)動(dòng)板通過控制它的吸合和釋放來控制噴氣時(shí)刻及噴氣持續(xù)時(shí)間,電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。電磁閥的工作原理是利用電磁鐵通電產(chǎn)生的電磁力吸合閥口的鐵心,使閥口打開;電磁鐵斷電后,磁場消失,閥口鐵心被復(fù)位彈簧拉回,使閥口密封,切斷氣流。由于氣槍驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求每次噴射的時(shí)間很短,電磁鐵必須能在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的吸力來克服復(fù)位彈簧的拉力,電磁閥的快速響應(yīng)特性為實(shí)現(xiàn)最小噴氣量提供了硬件保證。電磁吸引力與電磁線圈中的電流成比例,而線圈中的電流大小是通過外加電壓值來改變。所以通過改變外加電壓大小值,可以改變氣槍驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求每次噴射持續(xù)時(shí)間的長短。為了實(shí)現(xiàn)電磁閥控制的理想波形,一般采用3種驅(qū)動(dòng)方案。這3種方案按照產(chǎn)生線圈電流的方式不同,可分為可調(diào)電阻式驅(qū)動(dòng)電路、雙電壓式驅(qū)動(dòng)電路和脈寬調(diào)制式驅(qū)動(dòng)電路。該設(shè)計(jì)中采用的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路是脈寬調(diào)制式驅(qū)動(dòng)電路。具體原理是控制電路首先加一個(gè)寬脈沖,使電磁閥迅速開啟。然