整緯設備光電檢測頭的設計與研究

史先傳,徐鎮冬,蘇勝輝,董 沖

(常州大學機械工程學院,江蘇 常州 213000)

織物在染色、整理過程中,由于連續處于牽引狀態,受各種機械運動及生產操作的影響,經常會產生緯紗歪斜彎曲的現象,進而直接影響產品質量。為克服上述缺點,織物必須經過整緯設備處理,整緯設備的核心檢測部件是光電檢測頭,位于整緯設備的機架上。若光電檢測頭設計不合理,不僅無法采集到精確的信號,還將導致整緯設備無法判斷織物變形情況,極大影響工作效率和加工成本。

目前在整緯設備光電檢測頭方面已有一定的研究:周正元等提出采用四只以集成式硅光電池為檢測元件的光電檢測頭采集織物信息進而提高檢測精度[1];劉洲峰等提出采用CCD攝像頭采集運動中的織物圖像,通過圖像處理技術計算緯斜角度[2];鄧玉等提出采用旋轉式狹縫檢測頭取代固定狹縫檢測,適用于厚度較薄、透光性好的織物;土耳其DEBA公司利用PLEVA探測頭進行在線檢測與控制,達到在線控制的目的[3];日本DENSIMATIC整緯設備檢測頭采用波紋檢測與縮放式細縫檢測兩種檢測功能的雙模式檢測方式。上述文獻通過優化光電檢測頭的檢測方式、增加光電檢測頭的數量或更新檢測元件來獲得較高的檢測精度,但是少有相關針對性的設計。

本文設計一種基于STM32芯片的光電檢測頭,CPU型號為STM32F103RBT6。將采集到的信號送至STM32芯片進行信號強弱和通道位置的計算,上位機再根據光電檢測頭計算結果得出對應的斜度、彎度,驅動執行機構進行矯正,很大程度上減輕上位機的運算負擔,在實際應用中已經取得了良好的整緯效果。

1 整機工作流程及原理

光電整緯設備是集光學、電子、自動控制、機械等技術于一體,用于矯正緯斜、緯彎的紡織儀器[4],整緯設備簡單示意圖如圖1所示。

1.1 工作流程

織物緯紗既然在加工的過程中產生緯紗變形,而將緯紗變形減少到標準規定的范圍內或者把變形消除,這個過程就稱為織物整緯,光電整緯裝置的整緯是由機械執行機構直接實現的?？椢镞M入布輥后,依次交叉穿過矯斜輥與矯彎輥,再穿過光電檢測頭、光源之間后,經出布輥導出,緯紗變形得到矯正,如圖1所示,再進入下一工藝流程設備,如烘干機、定型機等。

圖1 光電整緯設備示意圖

1.2 光電檢測原理

光電檢測原理是利用光電透射式檢測方式,將光電檢測頭,如圖2所示,和光源分別水平相對放置在織物緯紗的兩側[5],光電檢測頭中裝有硅光電池,光源發出的平行光照射到織物緯紗上時,織物緯紗的影像成像到硅光電池上,將采集到的光信號轉換成電信號送至光電檢測頭中的放大電路板。硅光電池共有十三路,如圖2所示,從上往下排列為+13°,+10.5°,+8°,+5.5°,+3.5°,+1.5°,0°,-1.5°,-3.5°,-5.5°,-8°,-10.5°,-13°,依次代表第1路至第13路,若織物緯紗的像與其中一個硅光電池條的方向一致,則輸出的信號幅度最大,輸出信號最大者,對應緯紗傾角的大小[6]。例如,光電檢測頭的第8路信號幅度最大,則表示緯紗偏角為-1.5°。

圖2 光電檢測頭示意圖

圖3 測頭內的硅光電池排列圖

1.3 矯正原理

緯紗變形的基本類型主要有緯斜、緯彎兩種。緯紗兩側產生行程差就是所謂的緯斜,緯紗中間對兩側產生行程差就是所謂的緯彎,常見的織物緯紗變形主要有四種,通常將緯紗左側超前右側滯后的狀態稱為左斜,將緯紗右側超前左側滯后的狀態稱為右斜,將緯紗中間超前兩側滯后的狀態稱為上彎,將緯紗兩側超前中間滯后的狀態稱為下彎。如圖4(a)所示,此時緯斜矯正電機拖動矯正輥作與緯紗變形相反的運動,使得左側緯紗行程距離減小,右側緯紗行程距離增大,從而令緯紗變形得到矯正[7-10]。圖4(b)～圖4(d)矯正原理同理可知。

圖4 矯正原理示意圖

2 光電檢測頭硬件設計

光電檢測頭硬件設計為PCB電路板設計,起到了將接收到的光信號轉換為電信號并進行放大處理的作用[11]。

2.1 放大電路的設計與計算

光電檢測頭的放大電路是對硅光電池產生的微弱電信號進行濾波放大處理,一共分為5級。如圖5所示。

圖5 放大電路示意圖

①第一級前置放大電路由反相輸入一階有源低通濾波器構成,輸入信號中有干擾雜波,并且信號很小,故濾波電路與放大器設計在一起,從而達到去除干擾雜波,放大信號的效果,可知硅光電池短路電流最大有效值iI約為0.01 μA,根據運算放大器工作在線性區時的分析依據,因此第一級前置放大電路輸出電壓為:

②第二級主放大電路由同相比例運算電路構成,放大倍數為:

③第三級主放大電路同樣由同相比例運算電路所構成,放大倍數為:

④第四級主放大電路由半波整流電路構成,由反相比例運算電路和二極管的性質可知,放大倍數為:

⑤第五級主放大電路由電壓跟隨器電路構成,放大倍數為1。

綜上所述,經過光電檢測頭放大電路放大后的輸出電壓為直流電壓,其值為:

U0=1.5×101×1.95×10 mV≈3 V

輸出信號范圍一般在2.8 V～4.6 V,滿足設計要求。原理圖中的CEL01接至硅光電池的第一路,IN1接至STM32芯片可復用的AD端口?；赟TM32F103RBT6的光電檢測頭完成了硬件選用和放大電路的設計后,采用軟件對其電路進行仿真,利用Proteus 8 Professional軟件對其進行仿真,在Proteus中繪制電路原理圖,仿真電路如圖6所示[12]。用信號發生器產生一正弦波信號,調節至適當的頻率及電壓,接入放大電路的輸入端。四通道示波器分別將四路接至第一級、第三級、第四級、第五級放大電路輸出端,觀察輸出波形變化結果如圖7所示。

圖6 仿真原理示意圖

圖7 仿真波形示意圖

2.2 通信電路設計

根據控制方案,信號在光電檢測頭放大板上經過濾波、放大、整流后,先傳送至調光控制器,調光控制器根據發送來的數據可對光源進行調光,再將數據傳送至上位機進行處理。所以需要完成光電檢測頭與調光控制器通信電路的設計,二者通過RS485進行通信。具體硬件電路設計如圖8所示,采用MAX3485通訊接口芯片,CRTL485、TX、RX分別連接至STM32F103RBT6的PA8、PA9、PA10端,485A,485B與調光控制器連接通信,右側供電端子分別接至對應的開關電源加以供電。

圖8 通信電路示意圖

3 光電檢測頭軟件設計

光電檢測頭主要程序包括主程序和中斷子程序。

3.1 主程序

圖9為主程序流程圖,主程序主要完成系統初始化任務并進入死循環等待IWDG重裝載計數值的到來,期間如果滿足中斷條件,當前主程序暫停,跳轉到中斷入口,執行中斷子程序,中斷完成后接著主程序繼續運行,中斷的運用是系統程序運行的重點所在。中斷子程序包括定時器3(TIM3)中斷子程序、串口(USART)中斷子程序、直接存儲器訪問(DMA)中斷子程序。

圖9 主程序流程圖

3.2 定時器與通信程序

光電檢測頭程序設計采用STM32普通定時器3產生1 ms中斷,用以每隔1 ms準備發送一次數據至調光控制器,定時器3時鐘使能和中斷優先級配置已在main()函數的外設時鐘初始化、嵌套向量中斷控制器(NVIC)初始化中完成,時基配置步驟如下:初始化定時器參數:設置自動重裝載值、分頻系數、計數方式等;允許定時器更新中斷;允許定時器工作即使能TIM3;編寫中斷服務函數,通過該函數來處理定時器3每隔1 ms產生的相關中斷。

光電檢測頭與調光控制器通過RS485實現通信,使用STM32的串口來接收和發送數據,波特率為115 200,字長為8位數據格式,1個停止位,無奇偶校驗位,無硬件流控制,收發模式。通信程序將實現如下功能:光電檢測頭通過串口和調光控制器對話,在收到調光控制器發來的字節后,通過定時器3每隔1 ms將所需要發送的字節包含13路通道的均值、極值均值、極值出現次數最多的通道位置共15個數據發送至調光控制器。

3.3 模數轉換程序

由光電檢測原理可知,光源發出的平行光穿過被測織物,照射在硅光電池上,硅光電池將采集到的光信號轉換成電信號,再送至光電檢測頭的放大電路板上進行放大處理,因此需要讀取硅光電池的13路模擬信號。通過STM32的ADC1連續采集13路模擬信號,ADC轉換分辨率采用8位,因此采樣結果就在0-255之間[13-14]。再通過DMA將轉換的數據傳輸到內存中,減少CPU的負荷同時增加采樣速度,最后通過串口傳輸出最后轉換的結果[15]。

在main()函數的初始化部分完成ADC和DMA相關設置,模數轉換通道采樣200次,使能了DMA1傳輸完成TC1中斷。本文提出一種“極值運算—位置判定”的控制算法用于光電檢測頭的程序設計,在DMA1中斷服務程序中讀取中斷標志位,如果傳輸完成TC1標志位置位,則根據第一組采樣點數值計算出ADC1的13路通道極值,若極值出現在通道1,則通道1出現極值的次數加一;若極值出現在通道2,則通道2出現極值的次數加一,通道3至通道13以此類推。數據采樣200組,總計判定200次極值出現在哪一路通道,計算200組中哪一路通道極值出現的次數最多,該通道的位置對應緯紗偏角的大小。將計算出的數據并存放于對應的數組中,以此準備好需要發送的數據。控制算法流程如圖10所示。

圖10 極值運算—位置判定示意圖

4 測試與分析

光電信號放大后的效果尤為重要,將直接影響到整緯效果。為有效評定光電檢測頭的檢測效果,對光電檢測頭采集到的信號進行記錄分析,經過多次實驗和驗證,本設計光電檢測頭部分采集信號效果很好,滿足設計要求。

4.1 采樣數據均值圖

為評定光電檢測頭的信號采集效果,將其利用ADC功能采集到的數據發送至串口,通過串口調試助手顯示數據。信號數據共有13組,對應13路硅光電池通道,每路通道采集200次,即采集一次共計2 600個信號數據,對應織物這一范圍的緯紗變形情況。在串口調試助手中向光電檢測頭發送4 byte的數據,以此來替代調光控制器向光電檢測頭發送數據的過程,光電檢測頭會發送2 600個數據至串口調試助手,每隔5 s記錄一次數據,繪制成圖,圖11為各路通道采樣數據均值圖。可以發現,光電檢測頭的第5路信號幅度最大,則表示緯紗偏角為+3.5°,如果最大信號出現在其他路通道,則表示其對應的緯紗偏斜角度。

圖11 采樣數據均值圖

4.2 速度對光電信號的影響

在實際運行中,會發現諸多因素均會對光電信號產生影響,如織物運行速度,織物透光性以及織物紋理等。采用控制變量的研究方法,保持光源值不變即織物透光性一定,分別測定織物運行速度在30 m/min,50 m/min,70 m/min情況下光電信號的變化情況,繪制出不同布速時各路通道信號變化圖,如圖12所示。可以發現,織物在不同運行速度下,產生的光電信號強弱不同。v=30 m/min時,信號幅度較弱,v=50 m/min時,信號幅度較強,v=70 m/min時,信號幅度很強?？梢钥闯?速度越快,光電檢測頭從織物上采集到的信號范圍越大,信號也更加精確,有效地提高了控制系統的可靠性。

圖12 不同布速時信號變化圖

4.3 透光性對光電信號的影響

保持織物運行速度不變,分別測定織物在光源值為50、100、150、200、255情況下光電信號的變化情況,繪制出不同光源值時各路通道信號變化圖,如圖13所示?？梢园l現,在光源值較低的情況下,信號幅度很小或幾乎沒有信號;在光源值設定為最高即255的情況下,13路通道信號值均達到最大,無法檢測織物彎斜情況;只有在合適的光源值時,信號幅度情況良好。因此可以看出,不同的織物透光性不同,需要給其合適的光源值。

圖13 不同光源值時信號變化圖

在實際運行中,織物運行速度、透光性等因素均會對光電信號產生影響,在光電整緯設備正常作業時,需將檢測頭的鏡片擦拭干凈,將其位置調整至最佳,確保所有檢測頭前都有織物經過,避免織物跑偏,將布速維持在70 m/min左右。光源值根據具體織物的透光性能調節,透光性較差的織物需提高光源值,透光性較好的織物可降低光源值,觀察信號強弱,將影響因素降為最小。

5 結論

針對傳統光電檢測頭在光電整緯領域檢測能力較弱的問題,設計一種以STM32F103RBT6為核心處理芯片的光電檢測頭,對整機工作流程及光電檢測頭的工作原理進行全面研究,提出相應的檢測及控制方案。

光電檢測頭采用新穎的集成電路,軟件部分的模數轉換采用DMA傳輸方式,程序占用CPU時間少。提出一種“極值運算—位置判定”的控制算法,并應用于STM32的軟件設計中,通過實驗結果驗證了該光電檢測頭在合理的布速與光源值采集到的信號是精確的,檢測效果明顯優于傳統的光電檢測頭,已在企業中得到應用,具有很高的性價比和推廣價值。

后續工作將圍繞增大該光電檢測頭的適用范圍及升級核心處理器展開,進一步提高光電檢測頭的適用性和處理數據速度。