基于諧振腔和DSP的煙支密度濕度檢測系統設計

張志偉

摘要:針對核掃描檢測和紅外檢測技術的不足,設計了基于微波諧振腔和DSP的煙支密度與濕度微波檢測系統?系統包括探測腔體?微波處理模塊?數據采集與處理模塊三部分,探測腔體和微波處理模塊通過測量諧振頻率和幅度數據,計算出諧振頻率偏移量和半功率帶寬變化量,以DSP芯片作為核心器件的數據采集和處理模塊負責實時測量數據的采集?運算和上位機通信?試驗結果表明,該檢測系統能快速測定諧振腔微波參數的變化量,實時反映被測煙條的密度水分數據?

關鍵詞:微波諧振腔;DSP;數據采集;檢測;設計

中圖分類號:TN06;S572文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2014)11-2666-04

Designing Detection System of Cigarette Density and Humidity Based on DSP

and Resonant Cavity

ZHANG Zhi-wei

(School of Physical and Telecommunication Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi, China)

Abstract: Aiming at the defects of nuclear scan detection and infrared detection, detection system of cigarette density and humidity based on DSP and microwave cavity was designed. The system included detecting cavity, microwave processing module, data acquisition and processing module. The first two parts were dealed with calculating the resonant frequency offset and the half power-bandwidth variation through measuring the resonance frequency and the amplitude data. The data acquisition and processing module was responsible for the real-time measurement data collection, operation, and PC communication with DSP chip as the key device. Results showed that the detection system could quickly detect changes of microwave resonator parameters and reflect the density of the cigarette measured.

Key words: microwave cavity;DSP;data collection;detection;design

基金項目:教育部科學技術研究重點項目(212177); 陜西省教育廳科學研究計劃項目(2013JK0852); 陜西省教育廳2014年科學研究計劃項目

當前,在我國卷煙生產線上的煙支重量控制系統中,采用的檢測手段大多是核掃描檢測,少量也在使用紅外檢測技術,它們分別采用放射性核射線和紅外線對煙條進行檢測?在實際生產中,核掃描傳感器具有測量精度高的優點,在重量控制系統中負責測量高速通過煙條的密度,然后以脈沖低電平的形式提供給重量控制的計算機進行計算?由于其使用放射性物質鍶-90作為探測源,存在較大的使用和維護風險?紅外型掃描器安全性高,不用擔心射線泄漏,但是它的測量精度卻比較低,用于煙支密度檢測時離散性較大而造成重量控制的不穩定,直接影響到卷煙企業產品的質量和經濟效益[1,2]?

隨著微波測量技術的發展,使得利用微波傳感器結合高速數據處理系統探測煙支密度?水分成為可能?與前面的兩類檢測技術相比,微波檢測技術具有檢測精度高(近似于核掃描器的測量精度)?穩定性好?免維護等特點,是取代核掃描檢測和紅外檢測的最佳解決方案?

1煙支密度濕度測量原理

密度濕度測量主要是利用微波測量原理,依據煙絲等介質對微波腔諧振頻率和帶寬的影響,利用微波技術中的微擾理論,通過測量煙支通過時微波諧振腔帶寬和頻率的變化量,對煙支密度?水分進行計算[3]?

探測腔體采用重入式諧振腔,當沒有煙條穿過腔體即空腔時,測量空腔腔體的諧振頻率和半功率帶寬;當高速煙條連續快速地穿過諧振腔中間的開孔時,就會引起諧振腔體的諧振頻率以及半功率帶寬發生變化,設此時諧振頻率f0偏移△f,半功率帶寬w0相應地改變△w?

根據參考文獻[4]所建立的△f及△w與煙支水分和煙支密度的關系式,煙支相對濕度可表示為公式(1),煙支密度的數學表達式為公式(2)?兩式中的參數M表示煙支相對濕度;mW表示煙支中水分質量;V表示煙支的體積;△w表示諧振腔半功率帶寬w0變化量;mD表示煙支中除去水分(完全烘干后)的剩余質量;△f表示諧振腔諧振頻率f0偏移量?

M=×100=26.366 7+2.926 (1)

M==0.419 141 524 9Δf-0.417 365 982 3Δw +1.189 049 271 7-0.020 294 35(2)

考慮到煙絲溫度變化的影響(設煙絲溫度為T),對公式(1)和公式(2)進行參數化處理?在測得的Δw?Δf和煙絲溫度T的基礎上計算出煙支密度D(或重量),可以得到煙支密度標定方程為公式(3)所示,標定系數dw1?dw2?df1?df2?dp1?dp2?dc1和dc2反映密度標定的特性,這里并不需要知道絕對水分(%);在測得的Δw?Δf 和煙絲溫度T的基礎上計算出煙絲水分M,可以得到煙支濕度標定方程為公式(4),標定系數mp1?mp2?mc1和mc2反映水分標定的特性,與煙支密度沒有關系?

D(Δw,Δf,T)=(dw1×T+dw2)×Δw+(df1×T+df2)×Δf+

(dp1×T+dp2)×+dc1×T+dc2(3)

M(Δw,Δf,T)=(mp1×T+mp2)×+mc1×T+mc2

(4)

2微波檢測系統的方案設計

微波諧振腔檢測系統的原理框圖如圖1所示,檢測系統主要由探測腔體?微波處理模塊和DSP處理模塊構成?探測腔體主要完成對穿過腔體的煙條采樣,微波處理模塊主要完成微波的產生與檢波,DSP處理模塊為核心的數據采集與處理單元控制微波處理模塊進行測量,然后采集測量數據進行計算,并根據設定的參數以及上位機的控制命令進行相應的輸出(包括通過微波處理模塊輸出模擬信號,通過DSP處理模塊輸出密度脈沖信號,以及通過串行通信接口把數據傳輸到上位機)[5,6]?

2.1微波處理模塊設計

微波處理模塊主要完成諧振腔腔體的微波產生和檢波的功能,并實現測量數據的采樣和初步處理?實際上,數據采集與處理模塊并不能直接與微波諧振腔體發生作用,而是通過微波處理模塊來控制密度濕度的原始采樣數據?從微波密度測量原理知道,微波傳感器并不能直接測得密度和濕度的實際數據,而是通過測量諧振頻率和幅度數據,計算出諧振頻率偏移量Δf和半功率帶寬變化量Δw, 并根據煙絲溫度T,利用公式(3)和公式(4)分別計算出密度D和濕度M[7]?

微波處理模塊設計分為主通道和輔助通道,它們分別用于微波源的產生和源邊及副邊的檢波,考慮到傳感器尺寸限制及微波電磁場的屏蔽,微波處理模塊采用具有SPI接口的器件,這些器件在測量系統中都要作為SPI總線的從器件形式存在,數據處理與處理模塊和微波處理模塊的主要通信手段是兩者互連的SPI總線?數據采集與處理模塊的端口擴展采用譯碼器實現,4-16譯碼器可以對四條片選線譯碼,譯碼后就可以控制多達16個SPI從器件?

2.2數據采集與處理模塊設計

數據采集與處理模塊在系統中的主要作用就是控制并采集來自微波處理模塊的測量數據,面對大數據量的高速數據采集計算任務,DSP無疑是最佳的選擇;其次,考慮到邏輯電路的設計和擴展,選擇CPLD無疑會對整個系統的可擴展設計帶來極大的便利;考慮到高速DSP系統中數據通信任務的繁重性,在DSP外部配置一個單片機系統,單片機和DSP之間的數據交換使用高速雙端口RAM完成,只是需要注意DSP與雙端口RAM的電平及電流匹配?

系統設計中,綜合考慮系統的性能和開發成本等因素,確定采用高速DSP作為處理系統的核心,使用CPLD器件來擴展外部邏輯,并輔助簡單的單片機系統來管理外部通信的硬件解決方案,數據采集與處理模塊的硬件總體框圖如圖2所示?從圖2可以看出,硬件系統設計主要包括以下幾個部分:DSP基本系統選擇TI公司高速DSP器件TMS320C5416為核心進行系統設計,包括時鐘?電源?復位邏輯等DSP工作的基本電路;根據系統工作的需要,DSP外部擴展RAM?FLASH存儲器,考慮到譯碼電路及系統自引導過程中的需要,利用CPLD器件設計DSP系統外部的控制邏輯?

單片機系統設計包括單片機基本系統?RS232串行總線(低速通信總線)?實時時鐘/日歷功能?高速通信總線控制器(PROFIBUS-DP)等?另外還包括了單片機與DSP進行數據交換的雙端口RAM的數據通信接口?

SPI通信總線設計采用TMS320C5416的多通道串行口McBSP配置成SPI工作模式來實現,考慮到微波處理模塊SPI從器件較多,需要結合CPLD器件設計簡單的邏輯來擴展片選總線,用于完成與微波處理模塊的SPI總線通信任務[8]?

其他功能設計包括鍵盤輸入?指示燈輸出等人機交互接口的設計,以及腔體加熱控制電路和SRM密度脈沖輸出等功能,這些功能的接口邏輯可以利用CPLD來實現?

2.3微波腔體加熱及恒溫控制設計

試驗表明,除去結構?工藝等方面的因素后,傳感器諧振腔的諧振頻率還取決于溫度,溫度每升高1 ℃,諧振頻率就會下降約50 kHz,由于煙支密度對諧振頻率的靈敏度大約是0.1 mg/kHz,也就是探頭的溫度改變 1 ℃ ,煙支密度就可能改變 6 mg[4]?因此,在微波傳感器的工作過程中,微波傳感器的空氣腔和諧振腔都需要保持相對的恒溫,這是保證準確測量的必要措施之一?在微波檢測系統中,溫度控制任務由溫度變換電路?溫度數據采集?加熱控制器?加熱控制電路以及加熱元件等部分組成,其原理框圖如圖3所示?

溫度變換電路主要完成對測溫通道的轉換和溫度電壓信號的取樣?通道轉換是加熱控制器通過功能切換電路輸出CS6?CS7信號,從而控制四選一開關選通不同的測溫通道?

溫度數據采集由DSP處理器直接控制微波處理模塊上的AD器件及選擇通道,從而完成溫度通道的數據采集工作,然后再由DSP系統利用SPI通信總線讀回信號?

加熱電路由加熱元件?加熱控制電路和驅動電路組成?加熱元件是指諧振腔和空氣腔外面纏繞著的錳銅絲,DSP利用加熱控制電路和外部驅動,并根據溫度數據測量計算結果以及系統設定的控制溫度,以兩點算法或PID方式控制諧振腔加熱及保持恒溫?

3數據采集與處理系統軟件設計思路

數據采集與處理系統的軟件包括了DSP測量軟件設計?單片機通信軟件設計以及上位機監控軟件設計三個部分,根據處理系統硬件設計的特點,并結合系統實時性的要求,對DSP測量系統采用以下的軟件設計方法?

在高速DSP的軟件開發方面,主要是利用TI公司提供的CCS集成開發環境,采用了C語言與匯編語言的混合編程技術,利用匯編語言指令執行速度快的優點,盡量縮短關鍵指令的執行時間,提高系統響應速度?

依據功能需求分析編制相應的任務模塊,并根據系統實時性的考慮,優先運行數據采集和計算的工作;根據溫度控制的精度要求,溫度控制采用增量型PID控制算法,加熱系統首先通過自學習獲得加熱的平均功率,然后通過應用PID運算,獲得增量數據,兩者相加后用脈寬調制信號輸出?

在單片機通信軟件設計方面,根據上述硬件設計方案以及系統通信的總體要求,DSP和單片機通過雙端口RAM進行數據交換,單片機負責和上位機進行串行通信,在單片機中構建串行通信的接收和發送隊列,并針對大量浮點數通信的特點進行適當的處理,可以有效提高串行通信的效率?

4小結

為彌補卷煙生產中使用的核掃描及紅外型傳感器的缺陷,解決在線煙支密度水分的實時計算問題,設計了基于微波諧振腔和DSP的煙支密度濕度測量系統?直接利用微波測量原理推導出的密度濕度計算公式,使用高速DSP處理器對測量的數據進行采集計算并輸出控制信號,完成數據的實時處理,利用加熱控制器模塊實現對腔體溫度的準確控制?設計的微波檢測系統能夠連續?快速?精確測定諧振腔微波參數的變化量,完全滿足煙支濕度在線檢測中實時性和精確度的要求,若根據其他不同農業作物的含水率數學計算模型改變系統的關鍵參數設置,該系統可以快速地改造成基于微波諧振腔和DSP的水分檢測系統,應用于糧食水分檢測領域或秸稈成型生產線[9,10]?系統不但結構緊湊?性能穩定?維護簡單,而且可擴展性強?應用領域廣,具有廣闊的市場應用前景?

參考文獻:

[1] 王錦平,王鴻旻.煙支重量在線微波檢測[J].自動化博覽,2010, 27(6):66-68.

[2] 呂偉,金文良,張林法.新型煙支重量控制系統的研究與應用[J].硅谷,2012(22):88-89.

[3] 周永軍,牛中奇,盧智遠,等.微波諧振腔微擾測量法在線監測煙支濕度及密度[J].儀表技術與傳感器,2009(1):102-104.

[4] 吳志剛.在線煙支密度/濕度微波諧振腔檢測系統[D].西安:西安電子科技大學,2005.

[5] 高潔,田軍民,王楊,等.基于DSP的微波煙支密度在線檢測系統[J].煙草科技,2010(11):22-24,35.

[6] 張杰.微波密度傳感器諧振腔的結構設計[J].現代制造工程,2009(4):108-110.

[7] 楊仁. 煙支密度的微波檢測研究[J].湖南文理學院學報(自然科學版),2011,23(2):86-88.

[8] 高宏亮,高潔,杜勁松,等.煙支重量微波檢測系統的分析與設計[J].制造業自動化,2010,32(7):1-3.

[9] 黎澤倫,黃志誠,黃友均,等.微波水分測量儀的設計[J].農業機械學報,2009,40(2):81-83.

[10] 陶雷,胡必友,孫曉春.秸稈成型生產線上微波水分檢測技術的理論研究[J].江蘇農機化,2011(11):29-30.

微波處理模塊設計分為主通道和輔助通道,它們分別用于微波源的產生和源邊及副邊的檢波,考慮到傳感器尺寸限制及微波電磁場的屏蔽,微波處理模塊采用具有SPI接口的器件,這些器件在測量系統中都要作為SPI總線的從器件形式存在,數據處理與處理模塊和微波處理模塊的主要通信手段是兩者互連的SPI總線?數據采集與處理模塊的端口擴展采用譯碼器實現,4-16譯碼器可以對四條片選線譯碼,譯碼后就可以控制多達16個SPI從器件?

2.2數據采集與處理模塊設計

數據采集與處理模塊在系統中的主要作用就是控制并采集來自微波處理模塊的測量數據,面對大數據量的高速數據采集計算任務,DSP無疑是最佳的選擇;其次,考慮到邏輯電路的設計和擴展,選擇CPLD無疑會對整個系統的可擴展設計帶來極大的便利;考慮到高速DSP系統中數據通信任務的繁重性,在DSP外部配置一個單片機系統,單片機和DSP之間的數據交換使用高速雙端口RAM完成,只是需要注意DSP與雙端口RAM的電平及電流匹配?

系統設計中,綜合考慮系統的性能和開發成本等因素,確定采用高速DSP作為處理系統的核心,使用CPLD器件來擴展外部邏輯,并輔助簡單的單片機系統來管理外部通信的硬件解決方案,數據采集與處理模塊的硬件總體框圖如圖2所示?從圖2可以看出,硬件系統設計主要包括以下幾個部分:DSP基本系統選擇TI公司高速DSP器件TMS320C5416為核心進行系統設計,包括時鐘?電源?復位邏輯等DSP工作的基本電路;根據系統工作的需要,DSP外部擴展RAM?FLASH存儲器,考慮到譯碼電路及系統自引導過程中的需要,利用CPLD器件設計DSP系統外部的控制邏輯?

單片機系統設計包括單片機基本系統?RS232串行總線(低速通信總線)?實時時鐘/日歷功能?高速通信總線控制器(PROFIBUS-DP)等?另外還包括了單片機與DSP進行數據交換的雙端口RAM的數據通信接口?

SPI通信總線設計采用TMS320C5416的多通道串行口McBSP配置成SPI工作模式來實現,考慮到微波處理模塊SPI從器件較多,需要結合CPLD器件設計簡單的邏輯來擴展片選總線,用于完成與微波處理模塊的SPI總線通信任務[8]?

其他功能設計包括鍵盤輸入?指示燈輸出等人機交互接口的設計,以及腔體加熱控制電路和SRM密度脈沖輸出等功能,這些功能的接口邏輯可以利用CPLD來實現?

2.3微波腔體加熱及恒溫控制設計

試驗表明,除去結構?工藝等方面的因素后,傳感器諧振腔的諧振頻率還取決于溫度,溫度每升高1 ℃,諧振頻率就會下降約50 kHz,由于煙支密度對諧振頻率的靈敏度大約是0.1 mg/kHz,也就是探頭的溫度改變 1 ℃ ,煙支密度就可能改變 6 mg[4]?因此,在微波傳感器的工作過程中,微波傳感器的空氣腔和諧振腔都需要保持相對的恒溫,這是保證準確測量的必要措施之一?在微波檢測系統中,溫度控制任務由溫度變換電路?溫度數據采集?加熱控制器?加熱控制電路以及加熱元件等部分組成,其原理框圖如圖3所示?

溫度變換電路主要完成對測溫通道的轉換和溫度電壓信號的取樣?通道轉換是加熱控制器通過功能切換電路輸出CS6?CS7信號,從而控制四選一開關選通不同的測溫通道?

溫度數據采集由DSP處理器直接控制微波處理模塊上的AD器件及選擇通道,從而完成溫度通道的數據采集工作,然后再由DSP系統利用SPI通信總線讀回信號?

加熱電路由加熱元件?加熱控制電路和驅動電路組成?加熱元件是指諧振腔和空氣腔外面纏繞著的錳銅絲,DSP利用加熱控制電路和外部驅動,并根據溫度數據測量計算結果以及系統設定的控制溫度,以兩點算法或PID方式控制諧振腔加熱及保持恒溫?

3數據采集與處理系統軟件設計思路

數據采集與處理系統的軟件包括了DSP測量軟件設計?單片機通信軟件設計以及上位機監控軟件設計三個部分,根據處理系統硬件設計的特點,并結合系統實時性的要求,對DSP測量系統采用以下的軟件設計方法?

在高速DSP的軟件開發方面,主要是利用TI公司提供的CCS集成開發環境,采用了C語言與匯編語言的混合編程技術,利用匯編語言指令執行速度快的優點,盡量縮短關鍵指令的執行時間,提高系統響應速度?

依據功能需求分析編制相應的任務模塊,并根據系統實時性的考慮,優先運行數據采集和計算的工作;根據溫度控制的精度要求,溫度控制采用增量型PID控制算法,加熱系統首先通過自學習獲得加熱的平均功率,然后通過應用PID運算,獲得增量數據,兩者相加后用脈寬調制信號輸出?

在單片機通信軟件設計方面,根據上述硬件設計方案以及系統通信的總體要求,DSP和單片機通過雙端口RAM進行數據交換,單片機負責和上位機進行串行通信,在單片機中構建串行通信的接收和發送隊列,并針對大量浮點數通信的特點進行適當的處理,可以有效提高串行通信的效率?

4小結

為彌補卷煙生產中使用的核掃描及紅外型傳感器的缺陷,解決在線煙支密度水分的實時計算問題,設計了基于微波諧振腔和DSP的煙支密度濕度測量系統?直接利用微波測量原理推導出的密度濕度計算公式,使用高速DSP處理器對測量的數據進行采集計算并輸出控制信號,完成數據的實時處理,利用加熱控制器模塊實現對腔體溫度的準確控制?設計的微波檢測系統能夠連續?快速?精確測定諧振腔微波參數的變化量,完全滿足煙支濕度在線檢測中實時性和精確度的要求,若根據其他不同農業作物的含水率數學計算模型改變系統的關鍵參數設置,該系統可以快速地改造成基于微波諧振腔和DSP的水分檢測系統,應用于糧食水分檢測領域或秸稈成型生產線[9,10]?系統不但結構緊湊?性能穩定?維護簡單,而且可擴展性強?應用領域廣,具有廣闊的市場應用前景?

參考文獻:

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[3] 周永軍,牛中奇,盧智遠,等.微波諧振腔微擾測量法在線監測煙支濕度及密度[J].儀表技術與傳感器,2009(1):102-104.

[4] 吳志剛.在線煙支密度/濕度微波諧振腔檢測系統[D].西安:西安電子科技大學,2005.

[5] 高潔,田軍民,王楊,等.基于DSP的微波煙支密度在線檢測系統[J].煙草科技,2010(11):22-24,35.

[6] 張杰.微波密度傳感器諧振腔的結構設計[J].現代制造工程,2009(4):108-110.

[7] 楊仁. 煙支密度的微波檢測研究[J].湖南文理學院學報(自然科學版),2011,23(2):86-88.

[8] 高宏亮,高潔,杜勁松,等.煙支重量微波檢測系統的分析與設計[J].制造業自動化,2010,32(7):1-3.

[9] 黎澤倫,黃志誠,黃友均,等.微波水分測量儀的設計[J].農業機械學報,2009,40(2):81-83.

[10] 陶雷,胡必友,孫曉春.秸稈成型生產線上微波水分檢測技術的理論研究[J].江蘇農機化,2011(11):29-30.

微波處理模塊設計分為主通道和輔助通道,它們分別用于微波源的產生和源邊及副邊的檢波,考慮到傳感器尺寸限制及微波電磁場的屏蔽,微波處理模塊采用具有SPI接口的器件,這些器件在測量系統中都要作為SPI總線的從器件形式存在,數據處理與處理模塊和微波處理模塊的主要通信手段是兩者互連的SPI總線?數據采集與處理模塊的端口擴展采用譯碼器實現,4-16譯碼器可以對四條片選線譯碼,譯碼后就可以控制多達16個SPI從器件?

2.2數據采集與處理模塊設計

數據采集與處理模塊在系統中的主要作用就是控制并采集來自微波處理模塊的測量數據,面對大數據量的高速數據采集計算任務,DSP無疑是最佳的選擇;其次,考慮到邏輯電路的設計和擴展,選擇CPLD無疑會對整個系統的可擴展設計帶來極大的便利;考慮到高速DSP系統中數據通信任務的繁重性,在DSP外部配置一個單片機系統,單片機和DSP之間的數據交換使用高速雙端口RAM完成,只是需要注意DSP與雙端口RAM的電平及電流匹配?

系統設計中,綜合考慮系統的性能和開發成本等因素,確定采用高速DSP作為處理系統的核心,使用CPLD器件來擴展外部邏輯,并輔助簡單的單片機系統來管理外部通信的硬件解決方案,數據采集與處理模塊的硬件總體框圖如圖2所示?從圖2可以看出,硬件系統設計主要包括以下幾個部分:DSP基本系統選擇TI公司高速DSP器件TMS320C5416為核心進行系統設計,包括時鐘?電源?復位邏輯等DSP工作的基本電路;根據系統工作的需要,DSP外部擴展RAM?FLASH存儲器,考慮到譯碼電路及系統自引導過程中的需要,利用CPLD器件設計DSP系統外部的控制邏輯?

單片機系統設計包括單片機基本系統?RS232串行總線(低速通信總線)?實時時鐘/日歷功能?高速通信總線控制器(PROFIBUS-DP)等?另外還包括了單片機與DSP進行數據交換的雙端口RAM的數據通信接口?

SPI通信總線設計采用TMS320C5416的多通道串行口McBSP配置成SPI工作模式來實現,考慮到微波處理模塊SPI從器件較多,需要結合CPLD器件設計簡單的邏輯來擴展片選總線,用于完成與微波處理模塊的SPI總線通信任務[8]?

其他功能設計包括鍵盤輸入?指示燈輸出等人機交互接口的設計,以及腔體加熱控制電路和SRM密度脈沖輸出等功能,這些功能的接口邏輯可以利用CPLD來實現?

2.3微波腔體加熱及恒溫控制設計

試驗表明,除去結構?工藝等方面的因素后,傳感器諧振腔的諧振頻率還取決于溫度,溫度每升高1 ℃,諧振頻率就會下降約50 kHz,由于煙支密度對諧振頻率的靈敏度大約是0.1 mg/kHz,也就是探頭的溫度改變 1 ℃ ,煙支密度就可能改變 6 mg[4]?因此,在微波傳感器的工作過程中,微波傳感器的空氣腔和諧振腔都需要保持相對的恒溫,這是保證準確測量的必要措施之一?在微波檢測系統中,溫度控制任務由溫度變換電路?溫度數據采集?加熱控制器?加熱控制電路以及加熱元件等部分組成,其原理框圖如圖3所示?

溫度變換電路主要完成對測溫通道的轉換和溫度電壓信號的取樣?通道轉換是加熱控制器通過功能切換電路輸出CS6?CS7信號,從而控制四選一開關選通不同的測溫通道?

溫度數據采集由DSP處理器直接控制微波處理模塊上的AD器件及選擇通道,從而完成溫度通道的數據采集工作,然后再由DSP系統利用SPI通信總線讀回信號?

加熱電路由加熱元件?加熱控制電路和驅動電路組成?加熱元件是指諧振腔和空氣腔外面纏繞著的錳銅絲,DSP利用加熱控制電路和外部驅動,并根據溫度數據測量計算結果以及系統設定的控制溫度,以兩點算法或PID方式控制諧振腔加熱及保持恒溫?

3數據采集與處理系統軟件設計思路

數據采集與處理系統的軟件包括了DSP測量軟件設計?單片機通信軟件設計以及上位機監控軟件設計三個部分,根據處理系統硬件設計的特點,并結合系統實時性的要求,對DSP測量系統采用以下的軟件設計方法?

在高速DSP的軟件開發方面,主要是利用TI公司提供的CCS集成開發環境,采用了C語言與匯編語言的混合編程技術,利用匯編語言指令執行速度快的優點,盡量縮短關鍵指令的執行時間,提高系統響應速度?

依據功能需求分析編制相應的任務模塊,并根據系統實時性的考慮,優先運行數據采集和計算的工作;根據溫度控制的精度要求,溫度控制采用增量型PID控制算法,加熱系統首先通過自學習獲得加熱的平均功率,然后通過應用PID運算,獲得增量數據,兩者相加后用脈寬調制信號輸出?

在單片機通信軟件設計方面,根據上述硬件設計方案以及系統通信的總體要求,DSP和單片機通過雙端口RAM進行數據交換,單片機負責和上位機進行串行通信,在單片機中構建串行通信的接收和發送隊列,并針對大量浮點數通信的特點進行適當的處理,可以有效提高串行通信的效率?

4小結

為彌補卷煙生產中使用的核掃描及紅外型傳感器的缺陷,解決在線煙支密度水分的實時計算問題,設計了基于微波諧振腔和DSP的煙支密度濕度測量系統?直接利用微波測量原理推導出的密度濕度計算公式,使用高速DSP處理器對測量的數據進行采集計算并輸出控制信號,完成數據的實時處理,利用加熱控制器模塊實現對腔體溫度的準確控制?設計的微波檢測系統能夠連續?快速?精確測定諧振腔微波參數的變化量,完全滿足煙支濕度在線檢測中實時性和精確度的要求,若根據其他不同農業作物的含水率數學計算模型改變系統的關鍵參數設置,該系統可以快速地改造成基于微波諧振腔和DSP的水分檢測系統,應用于糧食水分檢測領域或秸稈成型生產線[9,10]?系統不但結構緊湊?性能穩定?維護簡單,而且可擴展性強?應用領域廣,具有廣闊的市場應用前景?

參考文獻:

[1] 王錦平,王鴻旻.煙支重量在線微波檢測[J].自動化博覽,2010, 27(6):66-68.

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[4] 吳志剛.在線煙支密度/濕度微波諧振腔檢測系統[D].西安:西安電子科技大學,2005.

[5] 高潔,田軍民,王楊,等.基于DSP的微波煙支密度在線檢測系統[J].煙草科技,2010(11):22-24,35.

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