浅谈活蛹缫丝蚕品种优选装置信号采集器设计

邢印强

（柳州市自动化科学研究所，广西 柳州 545001）

0 引言

广西是国家“东蚕西移”战略实施以来全国乃至全世界最大的蚕茧和生丝产区，年产蚕茧40 多万吨，生丝3 万吨以上，形成了“世界蚕业看中国，中国蚕业看广西”的格局。传统的蚕品种优选采用手工单茧缫丝，测量单丝长度、断点数及首断长度，检测员在黑板上观测颣节数，并凭借经验对蚕丝品质进行比对评判的方法。品种选育抽样实验工作量大，数据计算烦琐，进行一组品种优选试验需要十几天的时间，效率低、人为因素影响大、选种周期长，严重制约了广西蚕茧育种事业的发展。即使是在如此落后的条件下，广西蚕业专家经过多年的努力，仍选育出了桂蚕一号和桂蚕二号等优良品种[1]。如果能在活蛹缫丝过程中，实时自动化批量检测各项指标并进行品质判断，则可将一个蚕品种的优选工作时间从手工操作、判断、计算需要的近20 天缩短到一天之内，甚至一天可以进行多个品种的优选采样和检测工作，最大限度地提高了品种优选效率，对促进蚕品种优选优育、生丝品质及产量的提高具有重要意义。

1 一体化红外检测高精度传感器设计

广西蚕品种体型相对较小，单根蚕丝平均直径在13 μm左右，蚕丝颣节的检测是传感器设计的核心和难点，一般纺织行业采用的电容式检测方法因缫丝过程中的水汽太大而不能使用[2]，同时因为该类传感器灵敏度太低，响应速度慢，无法满足检测需要。通过大量的实验，最终确定采用红外线投影的检测方式，精选进口高灵敏红外线发射和接收管作为基础器件，经过严格的筛选和配对，保证了检测的精度和一致性。在防水密封结构设计方面，设计专门的模具并制作了一体化的全铝合金外壳，处理器电路板安装在主壳体内，红外线接收、发送管配对安装在带有“U”形凹槽的矩形窗口的支架上，发射和接收窗口内安装有点光源与平行光转换透镜，同时为了降低环境光线等对检测信号的影响，在红外发射与接收窗口增加了2 层定制波长的红外线滤光片，实现定制波长红外线带通滤波，有效解决了环境光和其他波长无线电信号的干扰问题，提高了检测精度和稳定性，性能达到了设计要求。

活蛹缫丝红外检测传感器根据单根蚕丝在红外平行光线的照射下，在矩形接收窗口所形成的投影面积的变化对蚕丝进行检测[5]，红外线发射窗口及透镜将点光源转换为平行光投射到接收窗口，活蛹缫丝过程中蚕丝投射在接收窗口上的投影面积的大小反应了蚕丝的粗细和均匀度[4]，即：蚕丝的投影面积与蚕丝的直径为正比例关系，转换为接收信号电压则与蚕丝的直径成反比例关系。当蚕丝通过接收检测窗口时，投影面积增加，信号输出电压减小，其中如有颣节出现，则投影面积会突然变大，此时输出信号电压会急剧下降，根据设定的不同阀值实现颣节及大小的识别[5]。当蚕丝出现断点时，接收窗口没有蚕丝投影，此时输出信号电压为一个较为恒定的基础值，可有效识别蚕丝何时出现断点。在实现了蚕丝的颣节、断点识别的基础上，再根据络丝筒上的计数圈数和络丝筒直径计算出各段蚕丝的长度，完成单根蚕丝首断长度、颣节数、断点数、每段丝长度及总长度等主要参数和指标的在线检测。活蛹缫丝颣节、断点检测示意图如图1 所示。

图1 活蛹缫丝颣节、断点检测示意图

2 采集器硬件整体设计

因为在活蛹缫丝过程中，每颗蚕茧都浸泡在各自独立的水杯里[3]，蚕丝经过检测传感器窗口时带有一定的水分，并且经过药水的浸泡具有一定的腐蚀性，所以设计和制作的所有电路板均喷涂了树脂防水胶层，红外检测窗口镶嵌了2 层带通滤波片，红外发射和接收矩形投影窗口也做了全密封防水处理。所有电路均安装在一体化铸造的铝合金壳体内，即使用水冲洗整套缫丝设备，所有检测头（每套设备为20 个）也都不会遭到破坏，防水性、防腐蚀和抗电磁干扰性能较好，可靠性较高，一体化活蛹缫丝数据采集器的维护保养简单容易，只需定期用镜头纸擦拭导丝槽内的红外发射与接收窗口，保持清洁即可。

活蛹缫丝过程中，蚕丝经过检测窗口的走丝速度相对于其直径和颣节大小的比值很高，最大走丝速度可达到15 m/min，为了能精确识别蚕丝在红外接收窗口中投影面积的变化，对采样速度有很高要求，否则很容易错过颣节而无法正确识别。因此，设计中采用了速度为40 MSPS 高速A/D 转换器件和高精度信号处理电路，同时搭配比传统的单片机速度高6 倍的单指令周期（1T）单片机进行采样处理[6]。实际设计使用采样速度达到30 MSPS，保证了最大走丝速度下每毫米长度的蚕丝有1.2 万个数据采样点，足以保证能够对任何大小的颣节都进行正确识别和判断。活蛹缫丝蚕品种优选装置数据采集器的功能模块组成示意图如图2 所示。

3 采集器软件设计

活蛹缫丝数据采集器采用数字脉冲计数方式实现单丝长度信号的采集，蚕丝卷绕在圆形络丝筒上，每转一周提供一个数字脉冲，表示周长为20 cm，当蚕丝出现断点时，计量误差为一个脉冲（即：长度±20 cm），软件设计采用中断触发模式，由中断服务程序完成对长度计数脉冲的累计。

颣节的有效检测需要采样点密集并均匀，否则会漏掉颣节导致检测不到或检测结果一致性很差。该采集器红外检测采样频率设计为30 MSPS，在如此高的采样频率下要保证一致的均匀度，采用普通查询方式显然是做不到的，只能采用定时中断方式，由定时器触发每一次数据采集，中断服务程序完成高速A/D 数据的采集和数据转换等任务。颣节的识别功能由嵌入在主程序循环中的识别子程序完成，采用动态移位数组实现数据的存储、传送及传输。

智能化活蛹单茧缫丝蚕品种优选装置一般有2组共计20个数据采集器，不同大小和形状的颣节识别是根据蚕丝经过检测窗口时的投影面积与空白面积的比值来进行判断的，判断的依据是检测窗口电压信号经A/D 转换后的数据，为了能对各种品种的蚕丝进行准确的品质判断，系统需要建立品种标准数据，通过整机20 组某品种活蛹缫丝数据的采集[2]，得到该品种桑蚕的单丝平均直径数据，这一过程设计为标定功能，并在今后同品种检测过程中随检测样本的数量累积而更准确。限于知识产权和篇幅限制，程序设计的具体细节不在该文详述。

图2 活蛹缫丝数据采集器功能模块组成示意图

4 结论

该设计采用单指令周期（1T）单片机作为核心，通过特制的红外线传感器和高速高精度A/D 转换器件实现单根蚕丝的颣节识别、长度计量及纤度测量等功能。传感器采用了铝合金一体化外壳和电路内封装，并进行了强化密封防水处理，采集器具有一体化、小型化、功耗低、可靠性高等特点。以该采集器为核心研发的“智能化活蛹单茧缫丝蚕品种丝质优选装置”项目获2014年广西壮族自治区科技进步二等奖及柳州市科技进步一等奖，产品化后已推广到全国7 个省区蚕品种选育机构，取得了巨大的经济效益。该设计对红外传感器的精度和一致性的要求较高，红外器件的安装受限于模具精度，一致性调试过程复杂，效率较低，不利于批量化生产，在模具结构设计和加工精度等方面有待进一步优化。