光電檢測系統設計姓名：學號：專業：光電分選機檢測系統設計摘要光電分選機是一種利用光電技術分析識別物料的品質優劣,并利用壓縮空氣將劣質物料剔除的高科技設備。被廣泛應用在顆粒狀物料品質檢測與分級領域,可有效提高物料的品質等級,增加其附加值,提高加工技術的自動化程度,具有很好的社會與經濟效益。設計中主要對光電分選機的檢測系統進行了研究，設計了一種以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。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行動態掃描,由圖像數字轉換器對CCD輸出信號進行信號調理、A/D轉換，FPGA對轉換后的圖像數據進行高速處理,完成剔除信號的輸出。文中主要對監測系統的硬件部分做了設計，包括：以FPGA為核心的硬件電路的設計，線陣CCD驅動電路的設計，圖像數字轉換器控制接口電路的設計，數據傳輸中同步串行通信電路的設計。第一章光電分選機系統1.1光電分選機工作原理在光電分選機工作前,用戶首先通過觸摸屏設定被分選物種的分選參數。在分選過程中,被選物料首先由進料斗通過電磁振動給料器配送到各個分選通道中的溜槽,經過溜槽的加速運動后，物料以恒定的速度下落進入光電檢測系統。光電檢測系統在特制燈光的照射下,前后兩個CCD傳感器對下落的物料進行動態掃描,將掃描的模擬視頻電壓進行A/D轉換，再將得到的數字視頻信號經過濾波和識別處理,輸出檢測判別信號。判別信號到達噴射氣槍的延遲時間正好等于不合格物料從視鏡下落至噴射氣槍之間的時間,當次品到達噴射器位置時,氣槍噴嘴噴射高速氣流,將次品吹出,使其落入次品槽,而合格品繼續下落并進入合格品槽,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行二次分選,同時在分選過程中,還可以通過觸摸屏對分選參數進行反復調節,以使分選效果達到最佳。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工藝指標的確定光電分選機的工作指標主要有以下三個方面:(l)處理量處理量即每小時可處理的物料數量,單位為t/h。(2)選出率選出率指從原料中選出的雜質數量占所含雜質總量的百分數,也叫色選精度。(3)帶出比帶出比是指色選機選出的廢料中雜質數量與正常米粒或麥粒之比。帶出比的高低是可以設定的,一般為3/1一5/1左右。1.3光電分選機結構特點光電分選機的形式多種多樣,但從工作原理和工作過程來看,主要由供料系統、光電檢測系統、分選系統、電控系統四部分組成。光電分選機整機基本結構框圖如下圖所示,除了以上提及的組成部分外,還包括人機交互界面和主控制器。圖1.2整機系統結構框圖(1)供料系統供料系統將對被測物料整理調節,使其流速與個體姿態保持相對穩定,保證物料顆粒能而XC95108包含108個宏單元。該設計中FPGA采用的是JTAG和主串配置模式配置。當采用主串配置模式時,系統采用的外部配置存儲器芯片是XCF01S。2.2CCD硬件設計根據光電分選機的工作原理,我們在線陣CCD傳感器的選擇上著重考慮了以下幾個性能參數:工作速率、分辨率、靈敏度和動態范圍。因為記錄的是快速運動目標,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節再現程度。由于器件工作頻率高,故光積分時間較短,只有選用靈敏度高、動態范圍大的CCD才能保證輸出視頻信號不被淹沒于暗電流噪聲中,確保掃描圖像的質量。該設計選用的CCD器件是RLI024P。RL1024P是PerkinElmer公司的P系列高速線陣CCD,其光譜響應范圍是250-1000nm,像素讀出率高迭40MHz,行讀出率可達35KHz,像素大小為14μm,陣列中有1024個有效像素,具有電子曝光控制門,具有低噪聲、高速度、高靈敏度等優點。CCD設計包括兩部分,一部分是CCD的時序邏輯,另一部分是CCD的電平驅動電路。CCD的時序邏輯都由FPGA發生。FPGA發出的信號電平是3.3V,CCD卻需要4種不同的驅動電平，如表2.1所示，因此,從FPGA發出的信號在進入CCD之前,必須進行電平轉換。表2.1RL1024P驅動電壓列表FPGA發出的3.3V信號驅動到上述4種電平,可以采用PI74FCT16244TV電平驅動芯片來產生相關的電平。PI74FCT16244TV是16hit的快速CMOS線驅動器,可以增加輸出電流驅動能力,應用在P11、P22和YR的單極性時鐘輸出(要求驅動電平為OV或5V),它的信號時鐘頻率可高達40MHz。在CCD的驅動時序中,P11、P22和YR的信號驅動時鐘頻率都為10MHz,均滿足P174FCT16244TV信號時鐘頻率范圍。NEC公司生產的超低噪聲雙運算放大器4570,可以將它設置成電壓跟隨器。通過設置運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驅動器,雙向模擬開關,時鐘上限頻率達10MHz,剛好滿足該設計的要求。它應用在Pab、Ptg和Ppg的雙極性時鐘信號輸出。通過設置DG642的開關兩端電平為4570的輸出電平,FPGA發出的信號(OV和3.3V)經過模擬開關轉換為表2.1中要求的8V和士4V。下圖2.2所示為該設計中CCD驅動模塊的硬件電路原理圖,此硬件電路提供CCD需要的4種不同驅動電平,圖中標號為Ul的管腳為FPGA的輸出端,用于提供CCD正常工作時所需的時序脈沖。圖2.2CCD驅動電路硬件原理圖2.3圖像數字轉換器設計該設計中選用的是Exar公司生產的圖像數字轉換器XRD98L59。該器件是低功耗的數字式動靜態的CCD圖像轉換器,它包含有相關雙采樣器、可編程增益的PGA,10-bit模數轉換器以及有啞像元平均器、噪點像元切割器和數字噪聲抑制濾波器的自動偏移校正電路等功能。下介紹XRD98L59的功能和參數設置:(l)串行控制接口設置XRD98L59內部有10個8-hit控制寄存器,所有工作參數都是通過設置這些內部寄存器。初始化內部寄存器是通過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(數據)和SCLK(移位時鐘)。圖2.3為串行接口時序圖,接口采用12-bit移位寄存器,前4-bit為地址碼,后8-bit為數據位。XRD98L59的SPI接口與XC3S200的普通IO口相連接,通過FPGA提供的時序來初始化A/D內部的控制寄存器。圖2.3串行接口時序圖(2)相關雙采樣設置XRD98L59提供兩個時序接口管腳,一個是采樣CCD的黑電平時鐘(SBLK),另一個是采樣CCD有效信號電平的時鐘(SPIX)。兩個時鐘驅動時序都是通過FPGA來提供。改變地址序號為0011的寄存器內容,可以設定時鐘的上升沿還是下降沿采樣。通過設置地址序號為0010的寄存器的高6位數據可以設定實際采樣點的位置與采樣時鐘沿的孔徑延遲時間。孔徑延遲時間可設定的范圍在2.7ns一17.5ns之間。(3)可編程增益控制XRD98L59內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行放大。兩個放大器總的放大倍數可以在6dB一38dB之間調整,調整的步長值為O.125dB。2.4通信電路設計該設計中的通信電路是根據3線制的同步串行通信接口協議設計的,這三個接口信號分別是串行數據、移位時鐘、使能信號。由于通信線路比較長,容易受到電控系統的干擾,所以采用差分電路傳輸信號。AM26L31是Texas儀器公司生產的線性的四重差分發送驅動器,AM26L32是接收驅動器。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的其中一個差分驅動器的電路圖。當主控制器通過三線同步串行通信接口向檢測系統(FPGA)發送數據時,輸入數據X到AM26L31的發送驅動器,接收端通過AM26L32的接收驅動器接收數據X,最后數據輸出X連接到FPGA的管腳。圖2.4AM26L31和AM26L32的電路連接圖2.5氣槍驅動設計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作來完成的。因此高速電磁閥是氣槍驅動系統中的一個關鍵部分,CPLD氣槍驅動板通過控制它的吸合和釋放來控制噴氣時刻及噴氣持續時間,電磁閥的動態響應特性直接影響著整個系統的主要性能指標。電磁閥的工作原理是利用電磁鐵通電產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,閥口鐵心被復位彈簧拉回,使閥口密封,切斷氣流。由于氣槍驅動系統要求每次噴射的時間很短,電磁鐵必須能在很短的時間內產生很強的吸力來克服復位彈簧的拉力,電磁閥的快速響應特性為實現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,可以改變氣槍驅動系統要求每次噴射持續時間的長短。為了實現電磁閥控制的理想波形,一般采用3種驅動方案。這3種方案按照產生線圈電流的方式不同,可分為可調電阻式驅動電路、雙電壓式驅動電路和脈寬調制式驅動電路。該設計中采用的電磁閥驅動電路是脈寬調制式驅動電路。具體原理是控制電路首先加一個寬脈沖,使電磁閥迅速開啟。然