摘要：聚合物材料的潔凈度是衡量聚合物產品質量的重要指標之一，怎樣提高聚合物產品潔凈度，是眾多聚合物生產企業和以聚合物為生產材料的企業所面臨的最重要的問題。為了解決這一難題，本文針對工業總線控制的在線聚合物雜質測量系統及其相關技術進行研究。本文應用光學成像原理，采用實時測量技術與數字圖像處理技術，完成了對聚合物雜質測量系統的設計。

　　本文敘述了聚合物雜質測量系統的整體結構設計方法，對其中的驅動電路、檢測電路、通信電路作了詳盡的分析與設計。

　　關鍵詞　CCD;信號處理;單片機;工業總線

　　中圖分類號：P204 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104(2012)

　　Abstract: The cleanliness of the polymer material is one of the important indicators to measure the quality of polymer products, how to improve the cleanliness of the polymer product is the most important issues facing many polymer manufacturers and polymer materials for the production of enterprises. To solve this problem, polymer impurities measurement systems for industrial bus control and related technologies. In this paper, optical imaging, real-time measurement technology and digital image processing technology, complete the design of polymer impurities in the measurement system.This paper describes the overall structure of the polymer impurity measurement system design methodology, the drive circuit, the detection circuit, communication circuit, made a detailed analysis and design.

　　Key words CCD; signal processing; microcontroller; industrial bus

　　第1章 緒論

　　1.1 概述

　　聚合物是由一種或幾種結構單元通過共價鍵連接起來的分子量很高的化合物，按其性質和用途可分為橡膠、化學纖維和塑料等幾大類。聚合物產品具備許多優越性能，被廣泛的應用于人們的日常生活，并成為工、農業生產和科學技術領域中不可缺少的重要材料。如何提高產品質量，與國際接軌，走向國際市場，已是擺在企業面前的重要課題。

　　現代化的生產線要求產品的檢測必須具有速度快、精度高、在線自動檢測的特點。這樣不但可以減輕工人勞動強度、降低工作復雜度，還可以降低生產與檢測過程中的人為因素，使檢測結果更加客觀化。同時更可用于統計分析缺陷，找出其產生原因，以便優化結構設計與制作工藝，從而提高生產效率，增加生產效益。在這種情況下迫切需要高精度的自動檢測系統，實現聚合物產品的快速動態全場在線測量。

　　第2章 系統整體硬件設計

　　本系統中，由單片機控制系統整個測量電路，以實現各參數的采集和計算。整個系統硬件框圖如圖3-1所示。下面分別就本控制器所采用的硬件和硬件電路設計進行介紹(其中電源模塊部分本系統采用成品電源，并不在本設計之內)。

　　2.2 主要器件的選擇

　　2.2.1 微處理器的選擇

　　本系統中選擇了宏晶公司的STC89C54RD+型單片機。STC89C54RD+型單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。

　　2.2.2 CCD器件選取

　　在本系統中，聚合物薄膜的移動速度是20mm/s,要求CCD的行分辨率達到20µm，則CCD的行掃描頻率至少不低于1kHz，為實現較為精確的缺陷識別，系統要求每行采集1024個像元，即CCD信號采集速率至少要達到2MHz。

　　綜合以上考慮，本系統選用日本東芝公司生產的線陣CCD(TCD132D)。

　　2.2.3 A/D轉換器的選取

　　在本系統中由于需要對背景光強、閾值電壓、調焦電壓等多路信號進行實時監測，并要求抗干擾以及成本適中，所以在本系統中選擇了TI公司生產的多通道數模轉換器TLC2543。TLC2543是TI公司的12位串行模數轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。由于是串行輸入結構，能夠節省51系列單片機I/O資源;且價格適中，分辨率較高，在儀器儀表中有較為廣泛的應用。

　　2.2.4 D/ A轉換器的選取

　　系統中由于需要對電機進行精確的控制，本系統中采用變頻器來控制三相交流電機，只需要給變頻器0~10V直流電壓即可實現控制電機調速，這就要求產生直流電壓的D/A轉換器有很高的轉換精度和轉換速率，并且占用單片機I/O口少。綜合系統要求，在本系統中選用了TI公司生產的數模轉換芯片TLC5615。TLC5615性能價格比高，目前在國內市場很方便購買。

　　2.3 CCD驅動及其信號處理

　　CCD作為光電圖像傳感器在許多領域里得到廣泛的應用。被檢測對象的光信息通過光學成像系統成像于CCD的光敏面上，CCD的像敏單元將其上的光強度轉換成電荷量，存于器件的相應位置。CCD在一定頻率的時鐘脈沖驅動下，將所存信號以一定的方式輸出，便在CCD的輸出端獲得被測圖像的視頻信號。

　　2.3.1 TCD132D詳細介紹及驅動電路設計

　　電荷耦合器件簡稱CCD，它具有光電轉換、信號存儲和信號傳輸(自掃描)的功能，在圖象傳感、信息處理和信息存儲等方面應用廣泛。日本東芝公司生產的TCD132D 線陣CCD，由于其內部有驅動電路及信號前放，故外接脈沖信號很簡單。

　　在本系統中，CCD的驅動電路采用了CPLD器件(EPM7032STC44)來產生驅動脈沖，由于可編程邏輯器件的集成度高、編程簡單(可以通過硬件編程語言vhdl語言等來實現，也可通過圖形化編程實現)、成本低、保密性好、工作可靠性高等特點，使得它在業界得到廣泛的應用。

　　2.3.2 CCD信號處理單元的設計

　　2.3.2.1 二值化處理方法

　　線陣CCD輸出的視頻信號中已經含有雜質顆粒的直徑信息和位置信息，但是必須首先將這些信息二值化，才能將這些信息提取出來，從而得到雜質顆粒的直徑尺寸和位置坐標值。二值化處理方法很多，常用的有固定閾值法、浮動閾值法與微分法。本系統所采用的為浮動閾值法。

　　浮動閾值法是使電壓比較器的閾值電壓隨測量系統的光源或隨CCD輸出視頻信號的幅值浮動。這樣，當光源強度變化引起CCD的視頻信號起伏變化時，可以通過電路將光源的起伏或CCD視頻信號的起伏變化反饋到閾值上，使閾值電壓跟著變化，從而使二值化方波脈沖的寬度基本不變。圖3-2所示為浮動閾值二值化電路的原理圖，采樣保持器采得線陣CCD在該周期中輸出的背景信號，并將其保持到這個周期;跟隨器輸出信號通過電位器RP送到電壓比較器，提供二值化閾值。

　　2.3.2.2 CCD信號背景光強檢測以及提取浮動閾值電路

　　為了能夠調整合適的閾值，需要對信號的背景光強和浮動閾值調整到一定的比例。CCD經驅動電路輸出的信號經過一級1：1同相比例放大，得到信號TST1，在經過一級跟隨送到采樣保持器，輸出點CK1即為閾值電壓的基準電壓，再經一級采樣保持器，得到的信號送入A/D轉換電路中，得到背景光強信號的值。圖中，由D1、R6、CD5、R7、U2B以及Q1組成的電路是為了解決當熱熔狀態帶狀聚合物內有氣泡或者是小孔的情況下，信號會出現向上的尖峰問題，信號經過分壓得到很小的信號，當有尖峰來到時，會經過運放放大來使三極管導通，把尖峰信號對地短掉，這樣尖峰信號就不會被傳送后級，由于后級為采樣保持器，所以當出現短暫的地信號是不會影響整體背景光強信號采樣和浮動閾值的。

　　2.3.2.3 A/D轉換電路

　　A/D芯片選用的是TLC2543，其基準電壓用REF198來產生。通過A/D轉換，把一些CCD的背景信號、閾值電壓信號、調焦信號進行數字化轉換，通過單片機來進行簡單的處理后送入到上位機進行實時觀測與處理。

　　2.4 電機控制與轉速測量電路設計

　　2.4.1 電機控制電路的設計

　　本系統選用的電機為三相交流電機，采用變頻器來控制電機，所要設計的電路分為兩部分：一部分為控制電機起停電路，另一部分為電機調速電路。控制電機起停電路采用的方案是用單片機的一個I/O口來控制光耦的導通或關斷，繼而控制一個小型繼電器的導通或關斷，其中MT+、MT-接在變頻器的起停控制端。

　　電機調速是用單片機來控制D/A輸出0~10V直流電壓信號送到變頻器來實現的。電路中把單片機的數字信號通過光耦隔離輸出至D/A (TLC5615)，D/A的基準電壓是由MC1403來提供的，D/A輸出的模擬信號經運算放大器放大輸出至變頻器，從而實現了電機調速功能。D/A的最大輸出大約為4.99V，再經過后級的同相比例放大，調整電位器為合適的值，使輸出模擬電壓信號在系統要求的范圍內。

　　2.4.2 電機測速電路的設計

　　電機測速在本系統中擔負著測量縱向位置信息以及抽樣檢測等重要的工作。采用光電編碼器實現對轉速的測量是具有很高的精度的，通過對光電編碼器輸出的脈沖信號進行計數或者測量其頻率，通過簡單的計算就能得到被測物體的轉速。選用200線輸出的編碼器，編碼器輸出信號至三極管后經兩個非門進行整形，整形后的信號被送至計數器進行分頻，通過單片機內部進行計數，計算其頻率，從而得到電機的轉速，

　　2.5 單片機通信模塊與打點標記電路的設計

　　單片機通信部分為本系統的核心，是本系統連接上位機，實現通信的樞紐，在很多工業控制環境中，一般用一臺工控機連接幾臺生產設備或者檢測設備，使控制與檢測更加的方便、快捷，并根據工作狀態去記錄各個儀器的工作狀態。在一個很復雜的生產環境中，通信單元應該對環境有很強的抗干擾能力，在本系統中采用光耦隔離技術來實現系統在通信上的抗干擾能力。

　　為了能夠在儀器做抽樣實驗后，去檢測雜質顆粒的具體形態與成分等，本系統專門設計了能夠在測量到雜質顆粒的地方打上標記的單元，以

　　提供專業人員繼續分析雜質的信息，在通過在生產過程中嚴格控制生產環

　　境、生產工藝等來提高聚合原材料產品的潔凈度。圖3-3所示為打點器的電路，通過控制PT端的邏輯電平來使光電耦合器導通或關斷，輸出PT+信號(為+12V或0V電壓)來控制繼電器實現打點功能。

　　2.6 本章小結

　　詳細介紹了CCD驅動、CCD信號處理電路以及其他系統硬件各單元電路的設計，其中包括了電機控制電路、速度檢測電路、打點器電路、通信模塊的設計。在本章最后提到了在系統硬件設計中如何解決抗干擾的方法，并在附錄中給出本系統設計的原理圖。

　　結論

　　本文針對聚合物雜質顆粒的特性，以線陣CCD進行測量其特征量而設計了基于工業總線控制的在線聚合物雜質測量儀。

　　高速采樣測量，抽樣完成聚合物雜質顆粒含量的檢測是最基本的功能，在以上基礎上，能夠得到雜質顆粒更加詳細的信息是本系統主要做的工作。

　　論文給出了本系統的具體電路結構，包括CCD檢測電路的設計、CCD信號處理電路的設計、電機控制與測速電路設計、通信電路設計、隔離驅動和保護電路設計。并對試驗樣機進行原理調試，得出了大量試驗波形，驗證了設計原理的合理性。

　　由于時間的限制，設計還存在很多不足的地方，如一些參數的設計不一定最優等。隨著嵌入式系統的飛速發展，數據處理速度和任務調度的靈活性有了很大提高。希望能夠進一步將這些新的技術融入機器視覺中去，給圖像分析和測量技術帶來更大的發展空間。

　　附錄A CCD驅動電路原理圖

　　附錄B 系統主電路原理圖