0 引言

煙支在生產(chǎn)過程中，由于多種因素的影響，可能會使成品煙的煙絲填充不均勻，煙支的某節(jié)煙絲過少或過多，從而出現(xiàn)空頭煙、超重?zé)?、超輕煙。本系統(tǒng)采用可編程器件控制煙支檢測，該方法較其他單獨硬件設(shè)計具有可重用性高，編程方便，設(shè)計成本低，開發(fā)周期短，控制靈活，剔除率高等優(yōu)點；再者，現(xiàn)在的煙支剔除大部分都是人工挑選，故存在工人工作量大，挑選不干凈等問題，而該系統(tǒng)可使問題煙的判別、剔除工作自動進行，可對問題煙進行挑選，并能夠剔除問題煙。

1 硬件設(shè)計

煙支檢測系統(tǒng)是用于檢測煙支某些參數(shù)（如空頭煙、重量、密度等）的一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般可由數(shù)據(jù)采集（傳感器）部件、數(shù)據(jù)處理部件、數(shù)據(jù)顯示部件、機械控制部件等幾個部分構(gòu)成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其中數(shù)據(jù)采集部件是系統(tǒng)與被檢測參數(shù)最直接接觸的部分，它是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。后期處理是否跟實際一致，直接跟它相關(guān)。一般對應(yīng)不同的物理量，應(yīng)選擇不同的傳感器，如空頭煙檢測可選擇光電探頭或電容式探頭，重量控制可選擇重量傳感器，密度控制則應(yīng)選擇密度傳感器。

數(shù)據(jù)處理部件是整個系統(tǒng)的核心，傳感器采集的數(shù)據(jù)主要送往該部件進行處理。它一般可由A／D采樣板，差分傳輸板，FPGA處理主板組成。傳感器一般得到的數(shù)據(jù)是模擬量，故應(yīng)將數(shù)據(jù)送到數(shù)字處理系統(tǒng)進行處理，以將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字量來進行后期處理。為了保證傳輸?shù)恼_性和可靠性，在A／D采樣板送出數(shù)據(jù)到系統(tǒng)主板之間應(yīng)使用雙絞線差分傳輸。系統(tǒng)主板主要是以FPGA為核心的控制板，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理（剔除）算法，并為后面的機械部分提供控制信號以及將采集和運算數(shù)據(jù)送到顯示器進行顯示，從而滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

數(shù)據(jù)顯示部件也稱為人機交互接口，該部件是整個系統(tǒng)的最直觀的表現(xiàn)。它是用戶跟系統(tǒng)進行交互的主要部分，用戶可以在其上面選擇一些閾值和處理方法等參數(shù)，也可以控制系統(tǒng)的啟動和停止。同時，系統(tǒng)再將一些重要數(shù)據(jù)顯示出來，使用戶能夠直觀得出該系統(tǒng)的工作狀況等參數(shù)。

機械控制部件是整個系統(tǒng)動作的執(zhí)行者，因為系統(tǒng)板內(nèi)部都是弱電，不能驅(qū)動機械部件動作，故在其中間需加驅(qū)動電路，以使其能夠正常工作。其工作主要是當(dāng)數(shù)據(jù)處理部件根據(jù)一定的判決算法得到某煙為問題煙時，對這些問題煙進行剔除。從而使系統(tǒng)能夠自動的檢測出問題煙并控制剔除動作，減少人工的干預(yù)量，達到自動化的目標(biāo)。

2 器件選型

2．1 數(shù)據(jù)采集部件（探頭）的選擇

數(shù)據(jù)采集部件一般位于整個系統(tǒng)的最前端，它的選型對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可行性有很大影響，本系統(tǒng)選擇光電傳感器作為探頭來對煙支的數(shù)據(jù)進行采集，它的靈敏度直接與剔除率有關(guān)。為了讓剔除效果達到最好，探頭靈敏度必須調(diào)整到合適的設(shè)置值。

靈敏度包括靜態(tài)靈敏度和動態(tài)靈敏度兩種，靜態(tài)靈敏度主要是在靜態(tài)情況下探頭的光反射強度與探頭距煙頭的距離、日光、煙頭密度及探頭電壓等之間的關(guān)系；動態(tài)靈敏度是動態(tài)情況下的性能指標(biāo)。本系統(tǒng)是讓探頭工作在不同的靈敏度下分析剔除率和誤剔率，從而選定剔除性能最好的靈敏度器件。動態(tài)靈敏度的另一個影響因素為動態(tài)位置誤差，即在采樣時間內(nèi)，由輪盤（與軸編碼器同步）轉(zhuǎn)動造成的位置變化所引起的探頭誤差，這里主要從位置誤差和探頭作用距離上比較，圖2所示是動態(tài)位置誤差示意圖。

在圖2中，R表示推煙板曲軸的輪盤半徑，一次采樣過程的起點為p1，結(jié)束位置為p2，該段持續(xù)時間內(nèi)的曲軸誤差為δr，其中：

若所選A／D采樣速率為50kHz，采樣周期為2×15-5s，那么，按每分鐘400轉(zhuǎn)計算，一次采樣時間內(nèi)的輪盤轉(zhuǎn)動弧度為：

取采樣10次的平均，其位置誤差不到4μm。而根據(jù)探頭的位置響應(yīng)曲線，探頭的最佳檢測距離在離煙2～3．5mm處，2mm》》4μm，所以，理想情況下由動態(tài)位置引起的誤差可忽略不計。

根據(jù)以上分析，本設(shè)計選用韓國KODENSHI公司的SG-2BC傳感器。

2．2 A／D轉(zhuǎn)換器的選擇

ADS7841E是德州儀器公司開發(fā)的一塊4通道，12位，帶串行接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它是一塊低功耗、高速度、高精確度的A／D采樣芯片，電壓為2．7～5 V，可達到200kHz的轉(zhuǎn)換速率。根據(jù)筆者對探頭的測試，探頭檢測的最小變化為0．5V左右，而A／D采樣的分辨率為3．3／212V≈8×10-4V，所以，該AD采樣芯片完全可以滿足設(shè)計要求。

2．3 FPGA的選擇

該系統(tǒng)采用EP3C16Q型FPGA進行控制邏輯編程。該器件是ALXERA公司生產(chǎn)的CycloneII系列高性能現(xiàn)場可編程門陣列，而且具有豐富的邏輯資源。EP3C16Q具有15408個邏輯單元、56個嵌入式乘法器和4個鎖相環(huán)（PLL），其內(nèi)部的RAM容量為504Kbits，系統(tǒng)頻率高達260MHz，而且穩(wěn)定性很高。采用單片F(xiàn)PGA實現(xiàn)邏輯控制和數(shù)據(jù)處理功能可以簡化電路設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性并節(jié)約成本。設(shè)計時，只需一根下載電纜連接到目標(biāo)板上，就可以多次重復(fù)編程，而且電路調(diào)試十分方便。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的核心處理程序可采用QUARTUSII7．2軟件和Verilog HDL語言進行編寫，而上位機軟件則可采用Delphi7軟件進行編寫，其核心部分是數(shù)據(jù)處理部件，它主要由A／D采樣、差分傳輸和FPGA數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成，為了使系統(tǒng)實現(xiàn)更加方便，且便于控制，選擇FPGA對剔除問題煙的算法非常關(guān)鍵。圖3所示是整個系統(tǒng)的程序框圖。

3．1 A／D采樣

ADS7841E是一款4通道12位的A／D轉(zhuǎn)換芯片，它是由時鐘控制的串行輸入芯片，芯片DIN中的A2、A1、A0位是通道選擇位，MODE位是12b-it／8bit轉(zhuǎn)換選擇位，本設(shè)計選擇高精度的12bit轉(zhuǎn)換，SGL／DIF位用于選擇是單端轉(zhuǎn)換還是差分轉(zhuǎn)換，本設(shè)計選擇單端轉(zhuǎn)換。ADS7841E模塊的軟件設(shè)計原理圖如圖4所示。

圖4中，clkin為系統(tǒng)時鐘，CH1～CH7為ADS7841E芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)果并行輸出，該數(shù)據(jù)可送往FPGA進行判決處理。

3．2 FPGA數(shù)據(jù)的處理

在對FPGA數(shù)據(jù)進行處理時，可以采用均值剔除算法。所謂均值剔除算法，就是用一個樣本的當(dāng)前值與一個參考值相減，然后取絕對值，如果結(jié)果超過某一門限，就說明其不符合要求，故可舍棄這個數(shù)據(jù)。假設(shè)隨機變量X具有數(shù)學(xué)期望μ和方差σ2，那么，對于任意正數(shù)ε，其不等式（6）成立：

不等式（6）稱為切比雪夫不等式，若令ε=3σ，則可得到：

其中，μ為正態(tài)分布的期望，σ為正態(tài)分布的均方差。由式（8）可知，對于正態(tài)隨機變量來說，它的值落在區(qū)間［μ-3σ，μ+3σ］內(nèi)幾乎是必然的事件，這就是3σ規(guī)則。

由于均值剔除算法實現(xiàn)簡單，且剔除效率比較高，因此，該系統(tǒng)選擇均值剔除算法作為實驗算法來驗證系統(tǒng)的可能性和穩(wěn)定性。其判別模塊的原理圖如圖5所示。

圖5中，clkin為系統(tǒng)時鐘，enclk為系統(tǒng)同步時鐘，control為控制信號輸出。將該控制信號送往驅(qū)動板，即可控制機械部件以剔除問題煙，datain為前端A／D采樣輸出的數(shù)據(jù)。

3．3 系統(tǒng)原理實現(xiàn)

FPGA程序中還應(yīng)包括A／D采樣控制、算法判決、問題煙檢出后的剔除信號產(chǎn)生以及上位機的顯示等功能。

整個系統(tǒng)的同步由軸編碼器控制，軸編碼器的轉(zhuǎn)速與正常卷煙機的速度一致，也就是說，煙條的下落速度越快，軸編碼器的轉(zhuǎn)速越快?，F(xiàn)在，大部分煙機的速度可達400轉(zhuǎn)／秒，煙條下落一根，軸編碼器轉(zhuǎn)一圈（360°）。其系統(tǒng)的整體軟件實現(xiàn)原理圖如圖6所示。

圖6所示的整個系統(tǒng)包括A／D轉(zhuǎn)換模塊、判決模塊和顯示模塊三部分。其中clkin為系統(tǒng)時鐘，ain，bin，zin為軸編碼器的輸入信號，輸出的脈沖enclk為整個系統(tǒng)的同步時鐘，該時鐘由軸編碼器產(chǎn)生。判決模塊中的主要輸出為均值（aver）、方差（variance）、剔除控制信號（co-ntrol）；顯示模塊主要將判決模塊輸出的數(shù)據(jù)通過串口送往上位機顯示，TxD為系統(tǒng)與上位機的接口，用于傳輸系統(tǒng)所需顯示的數(shù)據(jù)和用戶需要控制的參數(shù)。

4 設(shè)計驗證

該煙支檢測系統(tǒng)的實驗條件是常溫，F(xiàn)PGA主板為5V轉(zhuǎn)3．3V供電，剔除控制板的電源電壓為24V，模擬煙機的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)／秒（該數(shù)據(jù)通過顯示器進行顯示得出）。實驗時，先在下煙道中放置一定數(shù)量的正常煙，再放置一些問題煙（如空頭煙），然后通過探頭采集數(shù)據(jù)并送往A／D采樣芯片，再將得出的數(shù)字信號送到FPGA中進行處理，并計算出判決量，再根據(jù)一定的剔除算法判決出問題煙，然后產(chǎn)生一個剔除控制信號去控制煙機上的剔除裝置，以將問題煙剔除，同時將計算結(jié)果中一些必要的量、剔除的煙支數(shù)、剔除率實時的顯示到上位機，以供用戶查看和了解煙機的運轉(zhuǎn)狀況。

5 結(jié)束語

通過對整個系統(tǒng)的大量實際測驗可知，該系統(tǒng)能夠很好的剔除問題煙，并把相關(guān)的數(shù)據(jù)傳到上位機進行顯示，同時還可以跟用戶進行交互，剔除率可以達到70％左右，可以達到設(shè)計參數(shù)要求，滿足工業(yè)生產(chǎn)實際需求。

本系統(tǒng)雖以煙支檢測為例，但如更換前端的傳感器與后端的機械控制部件，對于其他物體的狀態(tài)監(jiān)測同樣適用，也可以作為數(shù)據(jù)采集與處理的一個通用平臺，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。