一種智能紙張厚度計設計*

王曙光， 唐浩漾

(西安郵電大學 自動化學院，陜西 西安 710121)

一種智能紙張厚度計設計*

王曙光， 唐浩漾

(西安郵電大學 自動化學院，陜西 西安 710121)

根據紙張厚度測量控制系統的功能要求，應用β射線吸收原理，完成了一種智能紙張厚度計設計。它以MSP430FG479為微處理器，具有CAN和RS—485通信接口，具有自檢測和自標定功能。給出了系統硬件實現方法，軟件設計流程。經實驗驗證，檢測精度達到0.1 %以上。該設計方案，換用不同的放射源，可對各種紙和紙板的厚度進行檢測，易于操作，工作穩定。

紙張; 厚度計； CAN總線； MSP430

0 引 言

紙張的厚度，也稱為定量，是紙最基本的性能指標之一，ISO 536對定量的定義是“按照規定的試驗方法測定的紙與紙板單位面積的質量， g/m2。”精確、快速、可靠的在線檢測技術對現代造紙工業是必不可少的，而厚度計是其中最關鍵的設備。厚度計所采用的檢測技術有電磁、紅外、光電、電容、超聲、β射線定量、XRF和THz-TDS、光學、X射線熒光、太赫茲時域光譜等[1]。目前，廣泛使用的厚度計多基于放射線吸收原理。

厚度計原始測量信號微弱，工作環境溫度變化大，電磁干擾嚴重，使測量精度受到影響。針對這些因素的處理方法，已有相關研究[2～4]。另一方面，原來采用的微處理器是普通的MCS—51系列單片機，集成度低，性能較差。而且傳感器部分與信號處理單元分離，模擬信號的長距離傳輸對測量結果影響也很大。本文設計選用16位單片機MSP430FG479為處理器，使處理精度和速度都有提高，此外，儀表設計了CAN和RS—485通信接口，完善了自診斷和自標定功能。

1 厚度測量原理

厚度計可以分為傳感器和信號處理單元兩大部分。傳感器部分有源盒和電離室，紙從源盒與電離室中間穿過，阻擋和散射β射線，使電離電流變弱，按照紙的厚度與電離電流的變化關系，通過檢測電離電流可以測得紙的厚度，進而間接得到紙的定量[5]。電離室是內阻極高的信號源，所產生的信號電流為nA數量級，如下式[5]

I=I0e-μρχ,

(1)

式中I0和I為射線穿過紙頁前后的電流；μ為吸收系數，m2/g；ρχ為定量，其中，ρ為紙的密度，χ為厚度。

2 硬件結構

2.1 總體設計方案

在紙張厚度β射線測量原理的基礎上，設計了一種智能厚度計，總體框圖如圖1所示。電路部分主要包括MSP430微控制器、測量信號調理電路、溫度檢測電路、放射源控制電路、CAN通信接口、RS—485通信接口。

圖1 總體結構簡圖

電離電流經過兩級放大調整后，進行A/D轉換。單片機控制A/D轉換器連續采樣，并對轉換結果進行數字濾波，然后比對標準紙樣的測量值，計算出定量值。同時，電離室和氣隙的溫度用熱敏電阻器測量，經由多路開關送A/D轉換器，對測量值進行溫度補償，作為最終的測量結果。厚度計具有CAN總線接口和RS—485接口，可連接計算機或其他主控設備，接收用戶命令和數據信息，發送檢測結果。CAN總線接口芯片使用SJA1000。

2.2 單片機電路

系統以超低功耗的MSP430FG479單片機為核心，它是具有16位總線的帶FLASH的單片機，采用16位RISC指令集，1.8～3.6 V低電壓工作，同時具有非常強的處理能力。它內置一個5路輸入的帶參考源的16位A/D轉換器，該A/D轉換器采用Σ-Δ結構，非常適合高精度的檢測儀表。

2.3 測量電路

厚度計的性能受溫度的影響比較嚴重，在無補償的情況下，大約每10 ℃的變化可引起測量值15 %以上的波動，受溫度影響大的環節是氣隙、電離室、前級放大電路[2]。對氣隙和電離室采用測溫補償的方法來處理。對前級放大電路采用高性能低溫漂放大器，同時降低放大倍數，減小反饋電阻，以減小溫度對放大電路的影響。二次放大電路的放大倍數適當提高。

本文設計中，信號前置放大電路采用儀表放大器AD623[6]，因為電離室輸出信號較純凈，不需要濾波，信號轉換成0～0.02 V的電壓。用單片機片內可編程放大器進行二次放大，放大倍數為128倍，兩級放大都用反相輸入，然后再進行A/D轉換。

A/D轉換器的參考電壓使用單片機內部的基準電壓。它的溫度性能穩定，精度高，能夠有效降低因基準噪聲引起的轉換誤差。

2.4 通信接口設計

RS—485接口很簡單，不再贅述，以下只說明CAN接口的設計。CAN通信控制器中，最常用的是SJA1000[7，8]。但由于MSP430單片機沒有設計外部并行總線，SJA1000雖然可以通過電路設計應用在這里[9]，但畢竟不太方便。

MCP2515是一種具有高速SPI接口的CAN通信控制器，它共有5種工作模式：配置模式、正常模式、睡眠模式、監聽模式、自檢模式。單片機通過SPI接口訪問MCP2515的內部寄存器，可以修改工作模式和進行其他功能設置。它內含6個接收濾波寄存器和2個接收屏蔽寄存器，可以減輕單片機的負擔。它允許對數據幀的頭2個數據字節和11個標識符位進行信息篩選，方便對接DeviceNet等應用層協議。

MSP430FG479單片機片內集成有2個可配置的串口模塊A0和B0，這里選擇A0。單片機的P2.4和P2.5分別是MO和MI；P3.0為時鐘信號，P3.3為STE選通端，與MCP2515的連接很方便；MCP2515的中斷請求信號接到單片機的P5.6口。詳細情況見圖2所示[10，11]。TJA1050T是總線驅動器，有溫度保護、短路保護等多種保護功能，抗干擾能力強。驅動器和MCP2515間加接高速光耦6N137，實現外部總線與內部系統的隔離。

圖2 CAN接口電路

2.5 放射源控制與校準

放射源放置在鉛盒中，鉛盒留有一個孔， 射線可經此孔發出。孔上方有一個擋板，擋板上有2個圓孔，一個是測量孔；另一個孔附著一張標準紙樣，稱為校準孔。擋板由一個直流電機驅動，可在一定范圍內往復轉動。

源盒設有3個位置開關，對應著3種工作狀態：停止狀態，測量狀態，校準狀態。當厚度計不工作時，鉛盒的孔被擋板擋住，發不出β射線，此時是停止狀態。當厚度計正常工作時，測量孔轉到鉛盒上方，β射線可發出，進行厚度測量。當需要校準厚度計時，校準孔轉到鉛盒上方，對標準紙樣進行測量，并與標準值比較，得到校準值。

3 軟件設計

系統主程序設計采用了自頂向下的程序設計思想，模塊化設計。主要的功能模塊有：系統初始化；系統自檢程序；A/D轉換；溫度補償計算；數字濾波與標度變換；源盒電機控制；CAN接口初始化與測試；CAN消息接收；CAN消息發送；CAN應用層協議處理。在主程序需要時直接調用這些子程序。

主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

初始化程序對單片機的時鐘、復位、中斷系統、A/D轉換器、I/O口、SPI串行接口等部件進行初始化設置，使其能正常工作。然后運行系統自檢程序，對厚度計的主要部件進行的功能測試，如有異常，給出報警信息。系統自檢完成后，等待用戶的命令。

厚度計可工作在掃描模式或校正模式。掃描模式時，對紙張進行在線檢測。校正模式時，對定量儀進行校準。使用前定量儀一般要預熱一段時間，然后先進行校正再測量。校正方式有自動和手動兩種，手動方式時，可以修改校正參數。

檢測結果的發送和儀器參數等信息的設置和讀取，可以通過串口或CAN總線接口實現。串口通信采用自由口協議，CAN應用層協議采用iCAN協議，本文暫不做深入探討。

4 實驗結果

先開機預熱30 min以上，然后進行校準。假定厚度計是近似線性的，測量前要校正零點和斜率2個參數。厚度計處于測量狀態時，不放入被檢測物，此時檢測值應該為0。在校準狀態時，對標準紙樣(50 g/m2)進行檢測，并與50 g的標準值比較，計算出斜率值。校正完成后，進行以下測量實驗。

取一張大小為200 mm×200 mm的70 g紙，按8行8列平均分成64塊進行測量。表1為測量結果。64次測量的平均值為2.829 g，此紙片用天平稱重為2.827 g，測量誤差為0.07 %。

表1 測量結果(g)

第2組實驗采用相同方法，只不過把兩張70 g紙重疊，厚度加倍。測量平均值為5.627 g，天平稱重為5.618 g，誤差為0.16 %。當被測紙疊成3層時，測量平均值為8.424 g，天平稱重為8.388 g，誤差為0.43 %。

由以上實驗可以得出，用50 g標準紙樣標定后，測量70 g紙張，誤差小于0.1 %。當測量紙張增厚，由于實際β射線吸收的非線性，誤差越來越大。但測量值仍比較穩定，此時加入一個固定補償值，所得測量結果依然足夠精確。

5 結束語

本文介紹了一種厚度計的設計方案，采用高度集成、性能穩定的電路，與以往產品相比具有體積小、成本低、精度高等特點。實驗結果表明:該儀器操作簡單便捷，性能穩定，檢測結果準確可靠，可以方便地應用于造紙過程控制系統中。

[1] 趙樹雷,丁笑天,劉桂芳.紙頁厚度在線檢測技術的發展與趨勢[J].中華紙業,2011，32(14) :6-10.

[2] 孫 瑜，周 強，王孟效.國產定量儀溫漂問題研究與改進[J].中華紙業,2003(9) :29-32.

[3] 梁 澤，周晉安，楊昆霞.定量—水分誤差及現場環境對其測量精度的影響[J].中華紙業，1998(2)：56-58.

[4] 周 強，王曙光，王孟效.造紙生產線測控系統的干擾及抗干擾措施[J].中國造紙，2004，23(10)：24-28.

[5] 莫方燦,王德志.紙頁定量水分的微型計算機控制[M].北京：輕工業出版社,1989：1-2，17-19.

[6] 李天博,陳 玲,陳坤華,等.基于MSP430的肌電假手系統設計[J].傳感器與微系統，2012，31(4)：75-78.

[7] 王曙光,周 強,趙 勇.國產定量儀CAN通訊功能的實現[J].中華紙業，2005(1)：46-48.

[8] 倪 彰,范 鑫,潘茂輝,等.基于CAN總線的電動汽車車燈控制系統設計[J].傳感器與微系統，2011，30(12)：82-84.

[9] 佟 宇,李 偉.基于MSP430的CAN總線控制系統的設計[J].微處理機，2004(1):56-58.

[10] 鄭貴林，趙軍華.基于MCP2515的數控電源用隔離CAN節點設計[J].電力電子技術，2011,45(2)：83-85.

[11] 李 貌,秦霆鎬,閏世曉.MCP2515在CAN總線系統智能節點的應用[J].電氣自動化，2006,28(5)：43-45.

Design of an intelligent paper thickness gauge*

WANG Shu-guang, TANG Hao-yang

(School of Automation,Xi’an University of Posts & Telecommunications,Xi’an 710121,China)

According to function request for paper thickness measuring control system,adopt β-ray absorption principle，design of a kind of intelligent paper thickness gauge is achieved.It takes MSP430FG479 as the microprocessor,with CAN and RS—485 communication interface,it has also self inspection and self calibration function.Realization method of the system hardware,and software design process are given.Experiment verifies that the precision achieve over 0.1 %.The design scheme can be used to detect thickness of all kinds of paper and board by using different radiate source,easy operation and stable work.

paper; thickness gauge；CAN bus；MSP430

2015—01—15

陜西省教育廳科研計劃資助項目(14JK1679)；陜西省自然科學基金資助項目(2012JM8022)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0072—03

TP 23

A

1000—9787(2015)04—0072—03

王曙光(1972-)，男，河北保定人，碩士，副教授，主要研究方向為嵌入式系統設計、機器人技術。