基于谐振腔和DSP的烟支密度湿度检测系统设计

张志伟

摘要:针对核扫描检测和红外检测技术的不足,设计了基于微波谐振腔和DSP的烟支密度与湿度微波检测系统｡系统包括探测腔体､微波处理模块､数据采集与处理模块三部分,探测腔体和微波处理模块通过测量谐振频率和幅度数据,计算出谐振频率偏移量和半功率带宽变化量,以DSP芯片作为核心器件的数据采集和处理模块负责实时测量数据的采集､运算和上位机通信｡试验结果表明,该检测系统能快速测定谐振腔微波参数的变化量,实时反映被测烟条的密度水分数据｡

关键词:微波谐振腔;DSP;数据采集;检测;设计

中图分类号:TN06;S572文献标识码:A文章编号:0439-8114(2014)11-2666-04

Designing Detection System of Cigarette Density and Humidity Based on DSP

and Resonant Cavity

ZHANG Zhi-wei

(School of Physical and Telecommunication Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi, China)

Abstract: Aiming at the defects of nuclear scan detection and infrared detection, detection system of cigarette density and humidity based on DSP and microwave cavity was designed. The system included detecting cavity, microwave processing module, data acquisition and processing module. The first two parts were dealed with calculating the resonant frequency offset and the half power-bandwidth variation through measuring the resonance frequency and the amplitude data. The data acquisition and processing module was responsible for the real-time measurement data collection, operation, and PC communication with DSP chip as the key device. Results showed that the detection system could quickly detect changes of microwave resonator parameters and reflect the density of the cigarette measured.

Key words: microwave cavity;DSP;data collection;detection;design

基金项目:教育部科学技术研究重点项目(212177); 陕西省教育厅科学研究计划项目(2013JK0852); 陕西省教育厅2014年科学研究计划项目

当前,在我国卷烟生产线上的烟支重量控制系统中,采用的检测手段大多是核扫描检测,少量也在使用红外检测技术,它们分别采用放射性核射线和红外线对烟条进行检测｡在实际生产中,核扫描传感器具有测量精度高的优点,在重量控制系统中负责测量高速通过烟条的密度,然后以脉冲低电平的形式提供给重量控制的计算机进行计算｡由于其使用放射性物质锶-90作为探测源,存在较大的使用和维护风险｡红外型扫描器安全性高,不用担心射线泄漏,但是它的测量精度却比较低,用于烟支密度检测时离散性较大而造成重量控制的不稳定,直接影响到卷烟企业产品的质量和经济效益[1,2]｡

随着微波测量技术的发展,使得利用微波传感器结合高速数据处理系统探测烟支密度､水分成为可能｡与前面的两类检测技术相比,微波检测技术具有检测精度高(近似于核扫描器的测量精度)､稳定性好､免维护等特点,是取代核扫描检测和红外检测的最佳解决方案｡

1烟支密度湿度测量原理

密度湿度测量主要是利用微波测量原理,依据烟丝等介质对微波腔谐振频率和带宽的影响,利用微波技术中的微扰理论,通过测量烟支通过时微波谐振腔带宽和频率的变化量,对烟支密度､水分进行计算[3]｡

探测腔体采用重入式谐振腔,当没有烟条穿过腔体即空腔时,测量空腔腔体的谐振频率和半功率带宽;当高速烟条连续快速地穿过谐振腔中间的开孔时,就会引起谐振腔体的谐振频率以及半功率带宽发生变化,设此时谐振频率f0偏移△f,半功率带宽w0相应地改变△w｡

根据参考文献[4]所建立的△f及△w与烟支水分和烟支密度的关系式,烟支相对湿度可表示为公式(1),烟支密度的数学表达式为公式(2)｡两式中的参数M表示烟支相对湿度;mW表示烟支中水分质量;V表示烟支的体积;△w表示谐振腔半功率带宽w0变化量;mD表示烟支中除去水分(完全烘干后)的剩余质量;△f表示谐振腔谐振频率f0偏移量｡

M=×100=26.366 7+2.926 (1)

M==0.419 141 524 9Δf-0.417 365 982 3Δw +1.189 049 271 7-0.020 294 35(2)

考虑到烟丝温度变化的影响(设烟丝温度为T),对公式(1)和公式(2)进行参数化处理｡在测得的Δw､Δf和烟丝温度T的基础上计算出烟支密度D(或重量),可以得到烟支密度标定方程为公式(3)所示,标定系数dw1､dw2､df1､df2､dp1､dp2､dc1和dc2反映密度标定的特性,这里并不需要知道绝对水分(%);在测得的Δw､Δf 和烟丝温度T的基础上计算出烟丝水分M,可以得到烟支湿度标定方程为公式(4),标定系数mp1､mp2､mc1和mc2反映水分标定的特性,与烟支密度没有关系｡

D(Δw,Δf,T)=(dw1×T+dw2)×Δw+(df1×T+df2)×Δf+

(dp1×T+dp2)×+dc1×T+dc2(3)

M(Δw,Δf,T)=(mp1×T+mp2)×+mc1×T+mc2

(4)

2微波检测系统的方案设计

微波谐振腔检测系统的原理框图如图1所示,检测系统主要由探测腔体､微波处理模块和DSP处理模块构成｡探测腔体主要完成对穿过腔体的烟条采样,微波处理模块主要完成微波的产生与检波,DSP处理模块为核心的数据采集与处理单元控制微波处理模块进行测量,然后采集测量数据进行计算,并根据设定的参数以及上位机的控制命令进行相应的输出(包括通过微波处理模块输出模拟信号,通过DSP处理模块输出密度脉冲信号,以及通过串行通信接口把数据传输到上位机)[5,6]｡

2.1微波处理模块设计

微波处理模块主要完成谐振腔腔体的微波产生和检波的功能,并实现测量数据的采样和初步处理｡实际上,数据采集与处理模块并不能直接与微波谐振腔体发生作用,而是通过微波处理模块来控制密度湿度的原始采样数据｡从微波密度测量原理知道,微波传感器并不能直接测得密度和湿度的实际数据,而是通过测量谐振频率和幅度数据,计算出谐振频率偏移量Δf和半功率带宽变化量Δw, 并根据烟丝温度T,利用公式(3)和公式(4)分别计算出密度D和湿度M[7]｡

微波处理模块设计分为主通道和辅助通道,它们分别用于微波源的产生和源边及副边的检波,考虑到传感器尺寸限制及微波电磁场的屏蔽,微波处理模块采用具有SPI接口的器件,这些器件在测量系统中都要作为SPI总线的从器件形式存在,数据处理与处理模块和微波处理模块的主要通信手段是两者互连的SPI总线｡数据采集与处理模块的端口扩展采用译码器实现,4-16译码器可以对四条片选线译码,译码后就可以控制多达16个SPI从器件｡

2.2数据采集与处理模块设计

数据采集与处理模块在系统中的主要作用就是控制并采集来自微波处理模块的测量数据,面对大数据量的高速数据采集计算任务,DSP无疑是最佳的选择;其次,考虑到逻辑电路的设计和扩展,选择CPLD无疑会对整个系统的可扩展设计带来极大的便利;考虑到高速DSP系统中数据通信任务的繁重性,在DSP外部配置一个单片机系统,单片机和DSP之间的数据交换使用高速双端口RAM完成,只是需要注意DSP与双端口RAM的电平及电流匹配｡

系统设计中,综合考虑系统的性能和开发成本等因素,确定采用高速DSP作为处理系统的核心,使用CPLD器件来扩展外部逻辑,并辅助简单的单片机系统来管理外部通信的硬件解决方案,数据采集与处理模块的硬件总体框图如图2所示｡从图2可以看出,硬件系统设计主要包括以下几个部分:DSP基本系统选择TI公司高速DSP器件TMS320C5416为核心进行系统设计,包括时钟､电源､复位逻辑等DSP工作的基本电路;根据系统工作的需要,DSP外部扩展RAM､FLASH存储器,考虑到译码电路及系统自引导过程中的需要,利用CPLD器件设计DSP系统外部的控制逻辑｡

单片机系统设计包括单片机基本系统､RS232串行总线(低速通信总线)､实时时钟/日历功能､高速通信总线控制器(PROFIBUS-DP)等｡另外还包括了单片机与DSP进行数据交换的双端口RAM的数据通信接口｡

SPI通信总线设计采用TMS320C5416的多通道串行口McBSP配置成SPI工作模式来实现,考虑到微波处理模块SPI从器件较多,需要结合CPLD器件设计简单的逻辑来扩展片选总线,用于完成与微波处理模块的SPI总线通信任务[8]｡

其他功能设计包括键盘输入､指示灯输出等人机交互接口的设计,以及腔体加热控制电路和SRM密度脉冲输出等功能,这些功能的接口逻辑可以利用CPLD来实现｡

2.3微波腔体加热及恒温控制设计

试验表明,除去结构､工艺等方面的因素后,传感器谐振腔的谐振频率还取决于温度,温度每升高1 ℃,谐振频率就会下降约50 kHz,由于烟支密度对谐振频率的灵敏度大约是0.1 mg/kHz,也就是探头的温度改变 1 ℃ ,烟支密度就可能改变 6 mg[4]｡因此,在微波传感器的工作过程中,微波传感器的空气腔和谐振腔都需要保持相对的恒温,这是保证准确测量的必要措施之一｡在微波检测系统中,温度控制任务由温度变换电路､温度数据采集､加热控制器､加热控制电路以及加热元件等部分组成,其原理框图如图3所示｡

温度变换电路主要完成对测温通道的转换和温度电压信号的取样｡通道转换是加热控制器通过功能切换电路输出CS6､CS7信号,从而控制四选一开关选通不同的测温通道｡

温度数据采集由DSP处理器直接控制微波处理模块上的AD器件及选择通道,从而完成温度通道的数据采集工作,然后再由DSP系统利用SPI通信总线读回信号｡

加热电路由加热元件､加热控制电路和驱动电路组成｡加热元件是指谐振腔和空气腔外面缠绕着的锰铜丝,DSP利用加热控制电路和外部驱动,并根据温度数据测量计算结果以及系统设定的控制温度,以两点算法或PID方式控制谐振腔加热及保持恒温｡

3数据采集与处理系统软件设计思路

数据采集与处理系统的软件包括了DSP测量软件设计､单片机通信软件设计以及上位机监控软件设计三个部分,根据处理系统硬件设计的特点,并结合系统实时性的要求,对DSP测量系统采用以下的软件设计方法｡

在高速DSP的软件开发方面,主要是利用TI公司提供的CCS集成开发环境,采用了C语言与汇编语言的混合编程技术,利用汇编语言指令执行速度快的优点,尽量缩短关键指令的执行时间,提高系统响应速度｡

依据功能需求分析编制相应的任务模块,并根据系统实时性的考虑,优先运行数据采集和计算的工作;根据温度控制的精度要求,温度控制采用增量型PID控制算法,加热系统首先通过自学习获得加热的平均功率,然后通过应用PID运算,获得增量数据,两者相加后用脉宽调制信号输出｡

在单片机通信软件设计方面,根据上述硬件设计方案以及系统通信的总体要求,DSP和单片机通过双端口RAM进行数据交换,单片机负责和上位机进行串行通信,在单片机中构建串行通信的接收和发送队列,并针对大量浮点数通信的特点进行适当的处理,可以有效提高串行通信的效率｡

4小结

为弥补卷烟生产中使用的核扫描及红外型传感器的缺陷,解决在线烟支密度水分的实时计算问题,设计了基于微波谐振腔和DSP的烟支密度湿度测量系统｡直接利用微波测量原理推导出的密度湿度计算公式,使用高速DSP处理器对测量的数据进行采集计算并输出控制信号,完成数据的实时处理,利用加热控制器模块实现对腔体温度的准确控制｡设计的微波检测系统能够连续､快速､精确测定谐振腔微波参数的变化量,完全满足烟支湿度在线检测中实时性和精确度的要求,若根据其他不同农业作物的含水率数学计算模型改变系统的关键参数设置,该系统可以快速地改造成基于微波谐振腔和DSP的水分检测系统,应用于粮食水分检测领域或秸秆成型生产线[9,10]｡系统不但结构紧凑､性能稳定､维护简单,而且可扩展性强､应用领域广,具有广阔的市场应用前景｡

参考文献:

[1] 王锦平,王鸿旻.烟支重量在线微波检测[J].自动化博览,2010, 27(6):66-68.

[2] 吕伟,金文良,张林法.新型烟支重量控制系统的研究与应用[J].硅谷,2012(22):88-89.

[3] 周永军,牛中奇,卢智远,等.微波谐振腔微扰测量法在线监测烟支湿度及密度[J].仪表技术与传感器,2009(1):102-104.

[4] 吴志刚.在线烟支密度/湿度微波谐振腔检测系统[D].西安:西安电子科技大学,2005.

[5] 高洁,田军民,王杨,等.基于DSP的微波烟支密度在线检测系统[J].烟草科技,2010(11):22-24,35.

[6] 张杰.微波密度传感器谐振腔的结构设计[J].现代制造工程,2009(4):108-110.

[7] 杨仁. 烟支密度的微波检测研究[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2011,23(2):86-88.

[8] 高宏亮,高洁,杜劲松,等.烟支重量微波检测系统的分析与设计[J].制造业自动化,2010,32(7):1-3.

[9] 黎泽伦,黄志诚,黄友均,等.微波水分测量仪的设计[J].农业机械学报,2009,40(2):81-83.

[10] 陶雷,胡必友,孙晓春.秸秆成型生产线上微波水分检测技术的理论研究[J].江苏农机化,2011(11):29-30.

微波处理模块设计分为主通道和辅助通道,它们分别用于微波源的产生和源边及副边的检波,考虑到传感器尺寸限制及微波电磁场的屏蔽,微波处理模块采用具有SPI接口的器件,这些器件在测量系统中都要作为SPI总线的从器件形式存在,数据处理与处理模块和微波处理模块的主要通信手段是两者互连的SPI总线｡数据采集与处理模块的端口扩展采用译码器实现,4-16译码器可以对四条片选线译码,译码后就可以控制多达16个SPI从器件｡

2.2数据采集与处理模块设计

数据采集与处理模块在系统中的主要作用就是控制并采集来自微波处理模块的测量数据,面对大数据量的高速数据采集计算任务,DSP无疑是最佳的选择;其次,考虑到逻辑电路的设计和扩展,选择CPLD无疑会对整个系统的可扩展设计带来极大的便利;考虑到高速DSP系统中数据通信任务的繁重性,在DSP外部配置一个单片机系统,单片机和DSP之间的数据交换使用高速双端口RAM完成,只是需要注意DSP与双端口RAM的电平及电流匹配｡

系统设计中,综合考虑系统的性能和开发成本等因素,确定采用高速DSP作为处理系统的核心,使用CPLD器件来扩展外部逻辑,并辅助简单的单片机系统来管理外部通信的硬件解决方案,数据采集与处理模块的硬件总体框图如图2所示｡从图2可以看出,硬件系统设计主要包括以下几个部分:DSP基本系统选择TI公司高速DSP器件TMS320C5416为核心进行系统设计,包括时钟､电源､复位逻辑等DSP工作的基本电路;根据系统工作的需要,DSP外部扩展RAM､FLASH存储器,考虑到译码电路及系统自引导过程中的需要,利用CPLD器件设计DSP系统外部的控制逻辑｡

单片机系统设计包括单片机基本系统､RS232串行总线(低速通信总线)､实时时钟/日历功能､高速通信总线控制器(PROFIBUS-DP)等｡另外还包括了单片机与DSP进行数据交换的双端口RAM的数据通信接口｡

SPI通信总线设计采用TMS320C5416的多通道串行口McBSP配置成SPI工作模式来实现,考虑到微波处理模块SPI从器件较多,需要结合CPLD器件设计简单的逻辑来扩展片选总线,用于完成与微波处理模块的SPI总线通信任务[8]｡

其他功能设计包括键盘输入､指示灯输出等人机交互接口的设计,以及腔体加热控制电路和SRM密度脉冲输出等功能,这些功能的接口逻辑可以利用CPLD来实现｡

2.3微波腔体加热及恒温控制设计

试验表明,除去结构､工艺等方面的因素后,传感器谐振腔的谐振频率还取决于温度,温度每升高1 ℃,谐振频率就会下降约50 kHz,由于烟支密度对谐振频率的灵敏度大约是0.1 mg/kHz,也就是探头的温度改变 1 ℃ ,烟支密度就可能改变 6 mg[4]｡因此,在微波传感器的工作过程中,微波传感器的空气腔和谐振腔都需要保持相对的恒温,这是保证准确测量的必要措施之一｡在微波检测系统中,温度控制任务由温度变换电路､温度数据采集､加热控制器､加热控制电路以及加热元件等部分组成,其原理框图如图3所示｡

温度变换电路主要完成对测温通道的转换和温度电压信号的取样｡通道转换是加热控制器通过功能切换电路输出CS6､CS7信号,从而控制四选一开关选通不同的测温通道｡

温度数据采集由DSP处理器直接控制微波处理模块上的AD器件及选择通道,从而完成温度通道的数据采集工作,然后再由DSP系统利用SPI通信总线读回信号｡

加热电路由加热元件､加热控制电路和驱动电路组成｡加热元件是指谐振腔和空气腔外面缠绕着的锰铜丝,DSP利用加热控制电路和外部驱动,并根据温度数据测量计算结果以及系统设定的控制温度,以两点算法或PID方式控制谐振腔加热及保持恒温｡

3数据采集与处理系统软件设计思路

数据采集与处理系统的软件包括了DSP测量软件设计､单片机通信软件设计以及上位机监控软件设计三个部分,根据处理系统硬件设计的特点,并结合系统实时性的要求,对DSP测量系统采用以下的软件设计方法｡

在高速DSP的软件开发方面,主要是利用TI公司提供的CCS集成开发环境,采用了C语言与汇编语言的混合编程技术,利用汇编语言指令执行速度快的优点,尽量缩短关键指令的执行时间,提高系统响应速度｡

依据功能需求分析编制相应的任务模块,并根据系统实时性的考虑,优先运行数据采集和计算的工作;根据温度控制的精度要求,温度控制采用增量型PID控制算法,加热系统首先通过自学习获得加热的平均功率,然后通过应用PID运算,获得增量数据,两者相加后用脉宽调制信号输出｡

在单片机通信软件设计方面,根据上述硬件设计方案以及系统通信的总体要求,DSP和单片机通过双端口RAM进行数据交换,单片机负责和上位机进行串行通信,在单片机中构建串行通信的接收和发送队列,并针对大量浮点数通信的特点进行适当的处理,可以有效提高串行通信的效率｡

4小结

为弥补卷烟生产中使用的核扫描及红外型传感器的缺陷,解决在线烟支密度水分的实时计算问题,设计了基于微波谐振腔和DSP的烟支密度湿度测量系统｡直接利用微波测量原理推导出的密度湿度计算公式,使用高速DSP处理器对测量的数据进行采集计算并输出控制信号,完成数据的实时处理,利用加热控制器模块实现对腔体温度的准确控制｡设计的微波检测系统能够连续､快速､精确测定谐振腔微波参数的变化量,完全满足烟支湿度在线检测中实时性和精确度的要求,若根据其他不同农业作物的含水率数学计算模型改变系统的关键参数设置,该系统可以快速地改造成基于微波谐振腔和DSP的水分检测系统,应用于粮食水分检测领域或秸秆成型生产线[9,10]｡系统不但结构紧凑､性能稳定､维护简单,而且可扩展性强､应用领域广,具有广阔的市场应用前景｡

参考文献:

[1] 王锦平,王鸿旻.烟支重量在线微波检测[J].自动化博览,2010, 27(6):66-68.

[2] 吕伟,金文良,张林法.新型烟支重量控制系统的研究与应用[J].硅谷,2012(22):88-89.

[3] 周永军,牛中奇,卢智远,等.微波谐振腔微扰测量法在线监测烟支湿度及密度[J].仪表技术与传感器,2009(1):102-104.

[4] 吴志刚.在线烟支密度/湿度微波谐振腔检测系统[D].西安:西安电子科技大学,2005.

[5] 高洁,田军民,王杨,等.基于DSP的微波烟支密度在线检测系统[J].烟草科技,2010(11):22-24,35.

[6] 张杰.微波密度传感器谐振腔的结构设计[J].现代制造工程,2009(4):108-110.

[7] 杨仁. 烟支密度的微波检测研究[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2011,23(2):86-88.

[8] 高宏亮,高洁,杜劲松,等.烟支重量微波检测系统的分析与设计[J].制造业自动化,2010,32(7):1-3.

[9] 黎泽伦,黄志诚,黄友均,等.微波水分测量仪的设计[J].农业机械学报,2009,40(2):81-83.

[10] 陶雷,胡必友,孙晓春.秸秆成型生产线上微波水分检测技术的理论研究[J].江苏农机化,2011(11):29-30.

微波处理模块设计分为主通道和辅助通道,它们分别用于微波源的产生和源边及副边的检波,考虑到传感器尺寸限制及微波电磁场的屏蔽,微波处理模块采用具有SPI接口的器件,这些器件在测量系统中都要作为SPI总线的从器件形式存在,数据处理与处理模块和微波处理模块的主要通信手段是两者互连的SPI总线｡数据采集与处理模块的端口扩展采用译码器实现,4-16译码器可以对四条片选线译码,译码后就可以控制多达16个SPI从器件｡

2.2数据采集与处理模块设计

数据采集与处理模块在系统中的主要作用就是控制并采集来自微波处理模块的测量数据,面对大数据量的高速数据采集计算任务,DSP无疑是最佳的选择;其次,考虑到逻辑电路的设计和扩展,选择CPLD无疑会对整个系统的可扩展设计带来极大的便利;考虑到高速DSP系统中数据通信任务的繁重性,在DSP外部配置一个单片机系统,单片机和DSP之间的数据交换使用高速双端口RAM完成,只是需要注意DSP与双端口RAM的电平及电流匹配｡

系统设计中,综合考虑系统的性能和开发成本等因素,确定采用高速DSP作为处理系统的核心,使用CPLD器件来扩展外部逻辑,并辅助简单的单片机系统来管理外部通信的硬件解决方案,数据采集与处理模块的硬件总体框图如图2所示｡从图2可以看出,硬件系统设计主要包括以下几个部分:DSP基本系统选择TI公司高速DSP器件TMS320C5416为核心进行系统设计,包括时钟､电源､复位逻辑等DSP工作的基本电路;根据系统工作的需要,DSP外部扩展RAM､FLASH存储器,考虑到译码电路及系统自引导过程中的需要,利用CPLD器件设计DSP系统外部的控制逻辑｡

单片机系统设计包括单片机基本系统､RS232串行总线(低速通信总线)､实时时钟/日历功能､高速通信总线控制器(PROFIBUS-DP)等｡另外还包括了单片机与DSP进行数据交换的双端口RAM的数据通信接口｡

SPI通信总线设计采用TMS320C5416的多通道串行口McBSP配置成SPI工作模式来实现,考虑到微波处理模块SPI从器件较多,需要结合CPLD器件设计简单的逻辑来扩展片选总线,用于完成与微波处理模块的SPI总线通信任务[8]｡

其他功能设计包括键盘输入､指示灯输出等人机交互接口的设计,以及腔体加热控制电路和SRM密度脉冲输出等功能,这些功能的接口逻辑可以利用CPLD来实现｡

2.3微波腔体加热及恒温控制设计

试验表明,除去结构､工艺等方面的因素后,传感器谐振腔的谐振频率还取决于温度,温度每升高1 ℃,谐振频率就会下降约50 kHz,由于烟支密度对谐振频率的灵敏度大约是0.1 mg/kHz,也就是探头的温度改变 1 ℃ ,烟支密度就可能改变 6 mg[4]｡因此,在微波传感器的工作过程中,微波传感器的空气腔和谐振腔都需要保持相对的恒温,这是保证准确测量的必要措施之一｡在微波检测系统中,温度控制任务由温度变换电路､温度数据采集､加热控制器､加热控制电路以及加热元件等部分组成,其原理框图如图3所示｡

温度变换电路主要完成对测温通道的转换和温度电压信号的取样｡通道转换是加热控制器通过功能切换电路输出CS6､CS7信号,从而控制四选一开关选通不同的测温通道｡

温度数据采集由DSP处理器直接控制微波处理模块上的AD器件及选择通道,从而完成温度通道的数据采集工作,然后再由DSP系统利用SPI通信总线读回信号｡

加热电路由加热元件､加热控制电路和驱动电路组成｡加热元件是指谐振腔和空气腔外面缠绕着的锰铜丝,DSP利用加热控制电路和外部驱动,并根据温度数据测量计算结果以及系统设定的控制温度,以两点算法或PID方式控制谐振腔加热及保持恒温｡

3数据采集与处理系统软件设计思路

数据采集与处理系统的软件包括了DSP测量软件设计､单片机通信软件设计以及上位机监控软件设计三个部分,根据处理系统硬件设计的特点,并结合系统实时性的要求,对DSP测量系统采用以下的软件设计方法｡

在高速DSP的软件开发方面,主要是利用TI公司提供的CCS集成开发环境,采用了C语言与汇编语言的混合编程技术,利用汇编语言指令执行速度快的优点,尽量缩短关键指令的执行时间,提高系统响应速度｡

依据功能需求分析编制相应的任务模块,并根据系统实时性的考虑,优先运行数据采集和计算的工作;根据温度控制的精度要求,温度控制采用增量型PID控制算法,加热系统首先通过自学习获得加热的平均功率,然后通过应用PID运算,获得增量数据,两者相加后用脉宽调制信号输出｡

在单片机通信软件设计方面,根据上述硬件设计方案以及系统通信的总体要求,DSP和单片机通过双端口RAM进行数据交换,单片机负责和上位机进行串行通信,在单片机中构建串行通信的接收和发送队列,并针对大量浮点数通信的特点进行适当的处理,可以有效提高串行通信的效率｡

4小结

为弥补卷烟生产中使用的核扫描及红外型传感器的缺陷,解决在线烟支密度水分的实时计算问题,设计了基于微波谐振腔和DSP的烟支密度湿度测量系统｡直接利用微波测量原理推导出的密度湿度计算公式,使用高速DSP处理器对测量的数据进行采集计算并输出控制信号,完成数据的实时处理,利用加热控制器模块实现对腔体温度的准确控制｡设计的微波检测系统能够连续､快速､精确测定谐振腔微波参数的变化量,完全满足烟支湿度在线检测中实时性和精确度的要求,若根据其他不同农业作物的含水率数学计算模型改变系统的关键参数设置,该系统可以快速地改造成基于微波谐振腔和DSP的水分检测系统,应用于粮食水分检测领域或秸秆成型生产线[9,10]｡系统不但结构紧凑､性能稳定､维护简单,而且可扩展性强､应用领域广,具有广阔的市场应用前景｡

参考文献:

[1] 王锦平,王鸿旻.烟支重量在线微波检测[J].自动化博览,2010, 27(6):66-68.

[2] 吕伟,金文良,张林法.新型烟支重量控制系统的研究与应用[J].硅谷,2012(22):88-89.

[3] 周永军,牛中奇,卢智远,等.微波谐振腔微扰测量法在线监测烟支湿度及密度[J].仪表技术与传感器,2009(1):102-104.

[4] 吴志刚.在线烟支密度/湿度微波谐振腔检测系统[D].西安:西安电子科技大学,2005.

[5] 高洁,田军民,王杨,等.基于DSP的微波烟支密度在线检测系统[J].烟草科技,2010(11):22-24,35.

[6] 张杰.微波密度传感器谐振腔的结构设计[J].现代制造工程,2009(4):108-110.

[7] 杨仁. 烟支密度的微波检测研究[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2011,23(2):86-88.

[8] 高宏亮,高洁,杜劲松,等.烟支重量微波检测系统的分析与设计[J].制造业自动化,2010,32(7):1-3.

[9] 黎泽伦,黄志诚,黄友均,等.微波水分测量仪的设计[J].农业机械学报,2009,40(2):81-83.

[10] 陶雷,胡必友,孙晓春.秸秆成型生产线上微波水分检测技术的理论研究[J].江苏农机化,2011(11):29-30.