基于CCD技術(shù)的鋼管長(cháng)度測量系統設計

鋼管精整生產(chǎn)線(xiàn)中有一道工序，要對每根鋼管的長(cháng)度進(jìn)行測量。目前在用的鋼管自動(dòng)測長(cháng)系統基本可以分為兩種：一種是使用推鋼裝置將到位靜止的鋼管前推一定的距離，通過(guò)與推鋼裝置同步旋轉的編碼器和按順序安裝的光電傳感器來(lái)計算鋼管長(cháng)度;另一種是采用在線(xiàn)測長(cháng)，即通過(guò)旋轉輥道帶動(dòng)鋼管軸向平移，利用壓在鋼管上的摩擦輪的運動(dòng)帶動(dòng)脈沖編碼器，并結合光電傳感器來(lái)計算鋼管長(cháng)度。

本研究分析了在線(xiàn)測長(cháng)的測量原理和物理實(shí)現，以FPGA作為中央處理器，實(shí)現系統的高集成度;采用線(xiàn)陣CCD器件TCDl206SUP作為光電傳感器，實(shí)現對鋼管長(cháng)度高精度的測量，并通過(guò)RS-485通信實(shí)現測量結果的傳輸，增強了系統的遠程控制性能和資源共享。

1 系統的測量原理

在衡鋼初軋廠(chǎng)被測對象為130×130連軋坯，這種坯的總長(cháng)在30～40 m之間，溫度在1 000℃左右。要求實(shí)時(shí)測量出總長(cháng)，再用計算機實(shí)時(shí)對此進(jìn)行最佳配尺并指導剪切。此外，還要求記錄剪切后的段長(cháng)結果。針對上述要求，本文采用圖l所示的測量方案。

圖中：K1和K2是兩組光電開(kāi)關(guān)，CCDl用來(lái)測量鋼坯的總長(cháng)，CCD2用來(lái)測量鋼坯的段長(cháng)，當鋼坯切頭后碰到光電開(kāi)關(guān)Kl時(shí)，用CCDl相機測出鋼坯的尾部長(cháng)度為X0。假設Kl到CCDl像機測量視場(chǎng)的左邊緣為L(cháng)0，則總長(cháng)為L(cháng)n+X0。測出總長(cháng)后，經(jīng)過(guò)計算機配尺后，由CCD2控制剪切長(cháng)度，通過(guò)CCD2測出段長(cháng)，當鋼坯的頭部碰上K2時(shí)，CCD2開(kāi)始測量。假設CCD2測出的長(cháng)度為X1，K2和剪口之間的距離為L(cháng)1，則段長(cháng)即為L(cháng)1+X1，段長(cháng)是在線(xiàn)實(shí)時(shí)測量、實(shí)時(shí)顯示的。測量X0，X1的過(guò)程是這樣的：由于測量對象為熱軋鋼坯，溫度在l 000℃左右，本身就是一個(gè)發(fā)光體。因此測量對象無(wú)需外用光源照明，光電開(kāi)關(guān)采用主動(dòng)式工作，當鋼坯運行擋住光電開(kāi)關(guān)發(fā)射的信號，光電開(kāi)關(guān)信號就通過(guò)測量控制板產(chǎn)生外部中斷信號，向計算機申請外部中斷，控制CCD攝像機進(jìn)行數據采集，對采集結果進(jìn)行濾波后，進(jìn)行二值化處理，并進(jìn)行一系列的標定、處理，即可得到被測鋼坯的長(cháng)度。

2 系統組成及各部分功能

該測量系統主要由光源、CCD傳感器、CCD驅動(dòng)電路、FPGA可編程器件、信號調理電路、LCD顯示電路、RS-485通信電路以及鍵盤(pán)輸入電路等部分構成，其組成框圖如圖2所示。

1)FPGA(EP3C) FPGA是該系統的核心部分，一方面生成CCD驅動(dòng)信號，控制CCD傳感器完成數據的采集，另一方面濾波計算經(jīng)調理電路A/D轉換后輸入信號，實(shí)現數據處理。然后通過(guò)控制LCD顯示電路和RS-485通信電路實(shí)現數據的顯示與傳輸。若有需要，還可以擴展其功能，譬如當段長(cháng)滿(mǎn)足配尺長(cháng)度時(shí)，控制剪刀進(jìn)行剪切，并記錄剪切段長(cháng)。

2)CCD傳感器驅動(dòng)電路 該驅動(dòng)電路是CCD器件應用中的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要是為了生成滿(mǎn)足器件工作時(shí)的驅動(dòng)時(shí)序脈沖，本系統采用FPGA實(shí)現對線(xiàn)陣CCD器件TCDl206SUP的驅動(dòng)。

3)信號調理電路 傳感器與微處理器之間的轉接部分，由于傳感器采集到信號一般能量弱，干擾強，且為模擬信號，所以調理電路的主要功能是對信號進(jìn)行濾波、放大以及A/D轉換等處理。

4)LCD顯示電路 實(shí)現數據的顯示功能，使操作人員能了解實(shí)時(shí)測量數據，并對其作出相應處理。

5)RS485通信電路 現場(chǎng)的測量?jì)x器和上位機的通訊距離較遠，所以，該系統采用RS-485通信。當前工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)中以RS-485使用最為普遍，這種網(wǎng)絡(luò )結構因硬件設計簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)而應用廣泛。

3 系統各部分功能實(shí)現

3.1 CCD驅動(dòng)電路

該驅動(dòng)電路選用獨立脈沖源。由晶體振蕩器構成時(shí)鐘發(fā)生電路，輸出頻率為4 MHz的時(shí)鐘脈沖，經(jīng)4分頻器得到頻率為l MHz的時(shí)鐘脈沖，再經(jīng)脈寬調制器合成占空比為1：3的復位脈沖φR，時(shí)鐘脈沖φ1為0.5MHz，由脈沖信號8分頻得到，φ2由φ1反相產(chǎn)生，如圖3所示。

3.1.1 分頻器的實(shí)現

該設計需要對4 MHz的時(shí)鐘脈沖分別進(jìn)行4分頻和8分頻，在FPGA設計中，分頻器可采用圖形輸入設計，運用觸發(fā)器或計數器來(lái)實(shí)現不同制式的分頻;也可運用VHDL代碼輸入通過(guò)不同的算法實(shí)現設計。

3.1.2 脈寬調制器的實(shí)現

脈寬調制器主要是實(shí)現脈沖信號的占空比，由TCDl206SUP驅動(dòng)時(shí)序圖中可以得CCD的復位脈沖RS的頻率為1 MHz，占空比為l：3。實(shí)現1：3調制方法很多，可以采用VHDL有限狀態(tài)機(FSM)進(jìn)行設計，設定SO、S1、S2 3種不同的狀態(tài)，有效脈沖到達時(shí)，狀態(tài)機由SO依次轉換到S2。在S2狀態(tài)時(shí)，狀態(tài)機輸出為高電平“1”，其他狀態(tài)輸出低電平“O”，從而實(shí)現占空比1：3調制。在本系統的設計中，采用QuartusⅡ的圖形輸入設計方式。運用兩輸入信號相異或來(lái)實(shí)現。

3.1.3 脈沖信號發(fā)生器、反相器的實(shí)現

脈沖信號發(fā)生器由晶體振蕩器構成，輸出頻率為4 MHz的時(shí)鐘脈沖，作為FPGA的外部時(shí)鐘，而反相器則可以用一非門(mén)電路就可以實(shí)現。

把上述各部分所產(chǎn)生的symbol用QuartusⅡ提供的Graphic Editor編輯連接起來(lái)。進(jìn)行整體模塊仿真，其結果如圖4所示。從仿真結果看，達到設計要求。

3.2 信號調理電路

信號調理器是測試系統的重要部分，它在數據采集系統之前對傳感器輸出信號進(jìn)行調理，從而提高了數據采集系統的性能和可靠性。常用的調理內容主要有放大、隔離、濾波、通道切換和直接傳感器調理等。根據設計要求，本信號調理電路主要是將CCD傳感器的信號進(jìn)行放大，隔離和濾波，考慮到工業(yè)應用系統中采集的信號弱、干擾大，頻率低等特點(diǎn)，放大電路采用由兩片AD526構成的程控放大電路(PGA)和美國B(niǎo)B公司生產(chǎn)的IS0130隔離放大電路兩部分組成，具有良好的暫態(tài)抗擾性和優(yōu)良的抗離頻噪聲性能等優(yōu)點(diǎn)，能有效地抑制共模干擾電壓，FP-GA通過(guò)對SWO、SWl和SW2的控制，改變放大器的放大倍數，提高測量的靈敏度;A/D轉換器則選用AD770l，AD7701是單片16位A/D轉換電路，僅為0.001 5%的線(xiàn)性誤差，采用LC2工藝技術(shù)制造，內置自校準電路，串行輸出接口，可方便地與單片機配接。同時(shí)具有功耗低、精度高、抗干擾能力強等特點(diǎn)，適合于在要求精度較高的儀器儀表、秤重計量、參數檢測、數據采集和其他測量設備;濾波電路則利用FPGA的可編程功能，生成FIR濾波器內核，實(shí)現對信號的濾波處理。信號調理原理圖如圖5所示。

3.3 RS-485通信的實(shí)現

RS-485作為一種串行通信的接口，具有傳輸距離長(cháng)、速度較高、電平兼容性好、使用靈活方便、成本低廉和可靠度高等優(yōu)點(diǎn)，在智能管理、在線(xiàn)控制、地質(zhì)勘探等許多領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用。RS-485收發(fā)器分別采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端驅動(dòng)器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出，在接收端接收信號將差分信號變成TTL電平。在RS-485接口中一根線(xiàn)定義為A，另一根線(xiàn)定義為B，有一個(gè)信號地C和一個(gè)“使能”端，在“使能”端控制發(fā)送驅動(dòng)器與傳輸線(xiàn)的切斷與連接。當“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱(chēng)作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“l”與“O”的第三態(tài)。RS-485具有較強的抑制共模干擾的能力和較高的接收器靈敏度，能檢測200 mV的電壓，因此數據傳輸距離可達1 km以外。

RS-485接口連接器一般采用DB9的9芯插頭座，與智能終端RS-485接口采用DB9孔。最簡(jiǎn)單的RS-485通信線(xiàn)電路電纜由兩條信號線(xiàn)路組成，接口一般采用屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸。RS-485與FPGA的接口電路如圖6所示。

4 系統的軟件實(shí)現

該系統以Aherla公司的EP3C25E1448CN作為中央處理器，整個(gè)測量過(guò)程主要包括初始狀態(tài)(Initialization)、數據采集(Data_Sample)、數據處理(Data_Processing)、數據顯示(Data_Display)和數據傳輸(Data_Transfers)等5種不同的狀態(tài)?？衫糜邢逘顟B(tài)機方法進(jìn)行設計，其狀態(tài)轉換圖如圖7所示。通過(guò)開(kāi)發(fā)工具QuartusⅡ對各模塊的VHDL源程序及頂層電路進(jìn)行編譯、邏輯綜合，電路的糾錯、驗證、自動(dòng)布局布

線(xiàn)及仿真等各種測試，最終將設計編譯的數據下載到芯片中。

5 結論

本系統以可編程邏輯器件作為開(kāi)發(fā)平臺處理數據，高精度的CCD器件實(shí)現數據采集，RS-485通信完成數據的傳輸，使整個(gè)系統具有集成度高，易于調試，測量準確度高，易于實(shí)現遠程控制和信息資源共享的特點(diǎn)，具有一定的開(kāi)發(fā)潛力。