基于LPC1769的特種纖維強密度檢測系統(tǒng)設計

申曉達，胡 鋼，謝劍鋒

(1.河海大學計算機與信息學院(常州)，常州 213022;2.常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點實驗室，常州 213022)

1 引言

自動化技術在工業(yè)領域的快速發(fā)展，使用自動化檢測與控制設備來取代高強度、高密度的人力操作成為一種趨勢。此文設計的特種纖維強密度檢測系統(tǒng)主要運用于對特殊纖維密度的檢測，實現(xiàn)對纖維密度數(shù)據(jù)的實時檢測。如今具有某種特殊性質(zhì)并在某些特殊環(huán)境下使用的高性能高技術的特種纖維及其制品由于其杰出的物理化學特性越來越受到重視，且隨著中國環(huán)保政策的推進以及市場的需求，在許多行業(yè)有著廣闊的應用前景。在大多數(shù)應用中，如何有效便捷地對纖維密度進行檢測，是很多學者所共同研究探討的問題。目前常用的纖維密度檢測儀大多采用基于DSP的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)所需的芯片數(shù)量少，且設計簡潔，但由于在多通道數(shù)據(jù)轉換的情況下DSP 訪問各個轉換芯片是分時進行的，大量的訪問時間被用于DSP與各芯片進行數(shù)據(jù)交換，而用于數(shù)據(jù)處理計算的時間僅占少量，影響了數(shù)據(jù)采集的實時性［1］，而如果采用基于LPC1769微處理器為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，功能穩(wěn)定，可以快速完成特定算法，更能滿足系統(tǒng)的精度和實時性要求。

2 纖維檢測基本原理及系統(tǒng)整體結構

特種纖維密度檢測系統(tǒng)在特定溫度下采用光電法對不同的特種纖維進行密度檢測。原理是在一定的光路下，介質(zhì)對光的吸收量和它的密度成比例。據(jù)此，特定光源對介質(zhì)發(fā)送一束光，經(jīng)不同介質(zhì)吸收后，光電傳感器接收到的光強度不一樣，從而產(chǎn)生不同的電信號，由此密度檢測問題就變成電信號強度檢測問題，根據(jù)檢測到的不同強度電信號，可以測量不同特種纖維的密度，圖1為測量電路。發(fā)射管發(fā)射出特定光源后，穿過檢測的特種纖維，接收管接收到的光強發(fā)生變化，產(chǎn)生大小不同的電信號，經(jīng)運算放大器放大后傳送至LPC1769進行信號處理。由于檢測到的電信號強度差別微小且不同的特種纖維穿透力不同，所以在測量穿透性能較好的特種纖維時用紅外光的微型光電傳感器檢測，當測量穿透性能不佳的特種纖維時，用紫外光微型光電傳感器，這樣有利于提高檢測精度。其次由于特種纖維在不同溫度下的密度也可能發(fā)生變化，因此必須要用到溫度傳感器測量實時溫度。

圖1 纖維測量電路

系統(tǒng)的整體結構主要由兩部分組成，數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分，兩部分分別制版，這樣有利于數(shù)據(jù)的精確采集和處理。數(shù)據(jù)采集部分采集3路數(shù)據(jù)，分別是微型光電傳感器數(shù)據(jù)，紫外光敏傳感器數(shù)據(jù)和溫度傳感器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉換放大后送入到數(shù)據(jù)處理部分的微處理器進行處理，通過顯示屏顯示輸出。

3 系統(tǒng)硬件設計

特種纖維強密度檢測系統(tǒng)的硬件設計是以NXP公司的LPC1769作為控制核心，該處理器是基于Cortex－M3為內(nèi)核的32位處理器，有豐富的外圍模塊，適合于多種應用領域。本系統(tǒng)的外圍模塊包括光電數(shù)據(jù)采集，電機驅(qū)動，紫外光敏數(shù)據(jù)采集，液晶顯示，電源模塊等。系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設計框圖

整個系統(tǒng)可以分為兩部分:模擬量輸入部分和高速信號處理部分。模擬量輸入部分主要任務是完成模擬量信號的實時采樣。微型光電傳感器EESX1042采用光電法對纖維密度數(shù)據(jù)進行測量，將采集到的模擬信息通過運算放大后在LPC1769內(nèi)完成特定的數(shù)字信號處理算法。系統(tǒng)提供8通道12位的模擬量輸入通道，采樣電路完成數(shù)據(jù)采集后，LPC1769讀取采樣結果并進行數(shù)據(jù)處理。

特種纖維密度和溫度有著密切的關系，測量數(shù)據(jù)的有效性建立在特定溫度下。系統(tǒng)溫度采集采用9位精度的DS18B20數(shù)字溫度計，其測量范圍從－55℃～+125℃，可在短時間內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。步進電機控制特種纖維移動，使微型光電傳感器對纖維密度數(shù)據(jù)進行不同角度測量，驅(qū)動步進電機采用的驅(qū)動芯片是A3967SLB。一個A3967SLB即可驅(qū)動一臺步進電機，可實現(xiàn)8細分驅(qū)動。芯片內(nèi)部有PWM電流控制電路，把加在分頻器上的電壓設置為慢，快，混合三種電流衰減模式，其次A3967SLB還有完善的保護電路，包括抑制瞬態(tài)電壓，過熱保護，防止電流直通，欠電壓自鎖等功能［2］。此外該芯片和微處理器之間不需要附加其他接口電路，采用Easy Stepper接口，減少了步長和方向控制線，只要簡單地輸入控制步進電機的脈沖，其內(nèi)部的轉換器就可以實現(xiàn)對步進電機的控制。

LPC1769的電源部分需要五種電壓源對其供電，分別是:

(1)內(nèi)核和外部通路所需的3.3V電源(3V3);

(2)內(nèi)部穩(wěn)壓器所需的3.3V電源(3V3);

(3)模擬部分所需的3.3V電源;

(4)模擬轉換器ADC所需的參考電源VREFP;

(5)實時時鐘RTC所需的3.3V電源VBAT;

在本設計中采用LM2594穩(wěn)壓器轉換器電路作為電源模塊實現(xiàn)對直流電壓的轉換，圖3是LM2594將5V直流電壓轉換成3.3V的穩(wěn)壓轉換電路，經(jīng)過RC濾波及肖特基二極管的穩(wěn)壓之后，LM2594能精確穩(wěn)定輸出所需要的3.3V電壓。

圖3 LM2594穩(wěn)壓轉換電路

液晶顯示采用2.8寸彩色TFT觸摸屏，該觸摸屏支持16位總線接口，超高亮度鏡面屏，模擬IO控制，模塊上配置有ADS7843觸摸控制器，支持漢字，圖片和數(shù)據(jù)的存儲。

4 系統(tǒng)軟件設計

本設計是以嵌入式Linux為基礎的，應用Linux進行應用軟件開發(fā)，不但可以提高數(shù)據(jù)采集的可靠性，而且對實時性要求苛刻的事件也能快速處理，提高了系統(tǒng)的整體性能和抗干擾能力。纖維密度檢測程序流程圖如圖4所示。

圖4 纖維密度檢測流程圖

系統(tǒng)軟件部分的主要任務包括:Linux的移植和模塊應用程序設計。Linux內(nèi)核版本要在LPC1769處理器上成功運行必須經(jīng)過裁剪，移植和編譯，制作的根文件系統(tǒng)不僅保留了Linux工作穩(wěn)定的特點，而且可通過Ramdisk方式正常加載到內(nèi)核。模塊應用程序設計主要是目標及底層驅(qū)動程序和系統(tǒng)的I/O功能設計編程，啟動部分用匯編語言，其他程序都采用C語言編寫。

5 結 束 語

針對特種纖維密度的問題，設計了以LPC1768微處理器為心，運用微光電法對密度進行實時檢測的系統(tǒng)。這種方法與傳統(tǒng)的纖維密度檢測方法相比，具有精確度高，操作方便快捷，成本低等優(yōu)點，同時通過軟件升級，該系統(tǒng)也適用于紡織品等一些透光物質(zhì)密度的檢測。

［1］康華光，陳大欽，張林編，著.電子技術基礎模擬部分［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］Christopher Hallinan.嵌入式 Linux基礎教程［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［3］楊柳春.基于ARM的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計［J］.自動化與儀器儀表，2010(6):68－70.

［4］趙運福，劉慶想，張政權.基于A3967SLB的步進電機細分驅(qū)動系統(tǒng)設計［J］.電子設計應用，2006(9):134－135.

［5］鄒兵，侯加林，李民贊.基于光譜學和ARM的番茄葉綠素檢測儀的開發(fā)［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(12):223－226.

［6］楊閩，潘煒.基于光電法的淤泥密度探測儀的設計［J］.電子測量技術，2011(5):47 －49.

［7］李偉，張公永.基于S3C2410的嵌入式織物密度檢測裝置研究［J］.電子設計工程，2010，18(1):68 －70.

［8］蔡靜.光電傳感器的應用［J］.科技傳播，2010(12):188.

［9］屠澄軼.一種基于LPC3250的智能電子血壓計設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2010(24):77 －79.

［10］王玉英.微型光傳感器［J］.光機電信息，2002(11):21－22.

［11］高蔭榆，陳鋼，阮榕生.特種纖維開發(fā)與利用的研究進展［J］.食品安全，2004(6):198－199.

［12］蔡海燕.嵌入式數(shù)據(jù)庫及其在綜導顯控臺中的應用［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2007.