基于DSP的壁紙印刷花紋涂層厚度在線檢測(cè)

高 敏，楚建安

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710048)

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平和生活質(zhì)量不斷提高。對(duì)于生活中常常遇到的裝修問(wèn)題，過(guò)去的涂料粉刷逐漸被壁紙所代替。壁紙不僅環(huán)保而且美觀，它將發(fā)展成為以后生活中美化環(huán)境的主要裝飾材料，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著對(duì)壁紙需求量的不斷增大，對(duì)壁紙質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。尤其是對(duì)印刷有花紋的壁紙，即使在印刷花紋的過(guò)程中只有1 絲(0.01mm)的差距，經(jīng)過(guò)發(fā)泡后(一般情況下是10 倍)也會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。這將導(dǎo)致在裝修時(shí)，壁紙拼接處花紋厚度明顯的高低不一，降低了壁紙裝修的美化效果?；诖?，涂層厚度檢測(cè)是壁紙質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，精確地測(cè)量它是壁紙生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不可缺少的一部分。

在前面的研究中提出了涂布(將糊料均勻的涂在原紙表面，形成壁紙的基礎(chǔ)部分)時(shí)涂層厚度檢測(cè)方法的研究，本次設(shè)計(jì)提出了基于DSP的壁紙印刷花紋涂層厚度在線檢測(cè)系統(tǒng)。主要提取的是花紋厚度的信號(hào)，利用激光傳感器的測(cè)距原理?；y的顏色可以是一種或者多種，這樣在測(cè)量時(shí)可以取它的平均厚度值作為花紋的厚度。然后將傳感器測(cè)量獲得的信號(hào)經(jīng)過(guò)有效處理后，送入微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后顯示輸出。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非接觸且在線測(cè)量。

2 印刷花紋涂層厚度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)如圖1 所示。傳感器把反應(yīng)花紋涂層厚度的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅男盘?hào)較弱而且有干擾，因此需要經(jīng)過(guò)放大濾波等處理，使信號(hào)變換成實(shí)際需要范圍內(nèi)的信號(hào)。然后一路經(jīng)過(guò)整形處理、光耦合器等送入DSP進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖使能A/D 轉(zhuǎn)換，另一路在A/D 使能的情況下進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，兩路信號(hào)應(yīng)該是同步進(jìn)行的。最后在處理器進(jìn)行積分處理，通過(guò)編程算出平均值，最終將結(jié)果通過(guò)LCD(液晶顯示)顯示輸出，以供現(xiàn)場(chǎng)的操作人員讀取數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 傳感器測(cè)厚的基本原理

激光傳感器使用的是三角位移測(cè)量法，原理是:光源發(fā)射出一束光到被側(cè)物體表面，而在另一個(gè)方向通過(guò)成像可以觀察反射光點(diǎn)的位置，最后計(jì)算出光點(diǎn)的位移，因入、反射光構(gòu)成三角形，所以叫三角測(cè)量法;此方法包括直射式和斜射式測(cè)量，本系統(tǒng)采用直射式測(cè)量，光路圖如圖2 所示。

圖2 直射式光路圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇的是OMRON的ZS 系列激光傳感器。此系列采用的是2D－CMOS 圖像芯片且利用線狀的光束，有效地完成了高速度和高精度檢測(cè)?？梢詫?shí)現(xiàn)0.25μm的分辨率，與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)100μs的數(shù)據(jù)處理周期。

4 系統(tǒng)的硬件組成部分

4.1 抖動(dòng)問(wèn)題的解決

安裝好傳感器后，在線檢測(cè)壁紙花紋涂層厚度時(shí)，受外界環(huán)境和設(shè)備自身的影響，壁紙可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的抖動(dòng)，抖動(dòng)影響測(cè)量準(zhǔn)確性?？紤]在壁紙的后方安裝一根輥?zhàn)?，以既?jiǎn)單成本又低的方法解決此問(wèn)題。如圖3 所示。

圖3 抖動(dòng)解決方法

4.2 放大電路模塊的硬件設(shè)計(jì)

放大電路是以高增益的雙運(yùn)算放大器LM358為核心的。如圖4 所示。它的應(yīng)用涉及到傳感放大器、直流增益模塊以及全部可用單電源供電的運(yùn)用到運(yùn)算放大器的電路［6］。

圖4 放大電路

4.3 RC 濾波和絕對(duì)值電路

如圖5 所示。RC 濾波電路起到隔直通交的作用。絕對(duì)值電路:高精確度整流器，它是運(yùn)用運(yùn)算放大器的高增益，從而改善整流精確度。絕對(duì)值電路說(shuō)明了無(wú)論信號(hào)輸入的是正值或者負(fù)值，電壓輸出都是正值(輸入信號(hào)的絕對(duì)值)。由此得出輸入、輸出電壓之間的關(guān)系式:Vo=|Vi|［4］。

4.4 整形電路模塊

整形電路是將處理后的輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換成為方波信號(hào)(高電平就表示有花紋的地方)。如上圖6所示:當(dāng)高電平時(shí)，光耦閉合觸發(fā)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)給AD 一使能信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。

4.5 數(shù)據(jù)采集模塊(A/D 轉(zhuǎn)換)

傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，以供處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理?？紤]到本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要滿足的精度和速度性能要求，在信噪比－即精度達(dá)到μm 級(jí)變化的同時(shí)滿足一定的采樣速率，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是MAX1247。它含有4 通道且分辨率達(dá)到12 位的串行A/D 芯片，該芯片采用逐次逼近式，內(nèi)部有自帶的SPI 接口;它還可以在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下對(duì)外部4 通道模擬輸入信號(hào)進(jìn)行順序轉(zhuǎn)換，且單一電源供電電壓為2.7V～5.25V。MAX1247 具有較低的功耗和豐富的片上資源等優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高［5］。

4.6 CPU 模塊和終端顯示

DSP 芯片(亦叫數(shù)字信號(hào)處理器)，它是適用于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的一種微處理器，可實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。例如采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等等，以得到需要的信號(hào)形式［1］。本設(shè)計(jì)選用TI 公司的TMS320F2812DSP－既具有數(shù)字信號(hào)處理的能力，還有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合。

系統(tǒng)應(yīng)用LCD 與DSP 進(jìn)行通信來(lái)完成顯示輸出，通過(guò)RS232 串口(DSP)實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和接收。串口通信的時(shí)候，TXD 端發(fā)送數(shù)據(jù)，RXD 端接收數(shù)據(jù);DSP 與LCD 顯示終端串行通信的硬件電路中，DSP的UART 串口(異步全雙工)與MAX232(電平轉(zhuǎn)換芯片)聯(lián)接，之后通過(guò)DB9 串口連至LCD 讀取有效的數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

DSP 采用結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言—C 語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，運(yùn)用它只須了解其存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，選用CCS 進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程圖如下圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)的軟件流程圖

6 結(jié)束語(yǔ)

總之，本系統(tǒng)提出了利用激光傳感器測(cè)量印刷花紋涂層厚度的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合DSP 微處理器，實(shí)現(xiàn)了在線花紋涂層厚度的非接觸測(cè)量。該系統(tǒng)滿足了生產(chǎn)中的實(shí)際需要—提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量，創(chuàng)造較高的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］張衛(wèi)寧.TMS320C28x 系列DSP的CPU 與外設(shè)(上)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［2］孫麗明.TMS320F2812 原理及其C 語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［3］朱尚明，葛運(yùn)建.激光三角法測(cè)距傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1998(2):56－58.

［4］曹永祥.絕對(duì)值電路及其在A/D 轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，1984(2):18－20.

［5］王喜斌，常淑英.12 位串行A/D 轉(zhuǎn)換MAX1247 原理與應(yīng)用［J］.華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(3):11－14.

［6］National Semiconductor.LM158/LM258/LM358/LM2904 Low Power Dual Operational Amplifiers［P］.USA:National Semiconductor Corporation，2000.www.national.com.