摘 要： 主要介紹了一種低成本的基于DSP微控制器的在線識(shí)別煙支重量的方法。在介紹系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上,，分析了系統(tǒng)的工作原理及對(duì)煙支重量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的實(shí)際算法和實(shí)現(xiàn)途徑,，并通過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中所取得的數(shù)據(jù)和以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得出整個(gè)系統(tǒng)改進(jìn)后的可行性和穩(wěn)定性,。
關(guān)鍵詞： DSP,；重量識(shí)別；重量控制
煙的重量作為香煙品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，越來(lái)越受到煙廠的普遍關(guān)注,。煙支重量的一致性與恒定性直接影響到香煙的吸阻,、透氣度等品質(zhì)。高速卷煙生產(chǎn)過(guò)程中煙支重量的識(shí)別及控制,是整個(gè)高速卷煙機(jī)實(shí)時(shí)控制過(guò)程中最為復(fù)雜,、技術(shù)含量最高的環(huán)節(jié),。目前，國(guó)內(nèi)外所使用的高速卷煙機(jī)上配備的煙支重量的識(shí)別及控制系統(tǒng)主要有基于紅外線掃描傳感器和基于核子掃描傳感器的兩種系統(tǒng),。其中,，紅外掃描因受煙絲來(lái)料的溫度、濕度等外部因素影響較大,，在使用過(guò)程中控制參數(shù)需經(jīng)常調(diào)整,；核子掃描由于其性能穩(wěn)定且受煙絲來(lái)料的溫度,、濕度以及外部因素影響不大而被廣泛采用,。目前中高檔高速卷煙機(jī)上配備的煙支重量的識(shí)別及控制系統(tǒng)大多為基于核子掃描傳感器。本文所述煙支重量的識(shí)別及控制以核子掃描傳感器為例,。
1 系統(tǒng)組成
由于煙支重量的識(shí)別過(guò)程的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求（要求>8 000支/min）,，煙支的采樣、跟蹤和剔出過(guò)程的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求,，以及與上位人機(jī)界面及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的要求,，本系統(tǒng)中的主控芯片采用DSP2407微處理器芯片。主控芯片負(fù)責(zé)對(duì)核子掃描信號(hào)的處理,，形成與煙支重量相關(guān)的所有數(shù)據(jù)信息,，識(shí)別不合格的煙支、軟點(diǎn)和硬點(diǎn),，形成煙絲分布狀態(tài)曲線,、完成重量控制任務(wù)以及與上位人機(jī)界面及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。
DSP2407[1]是TI公司生產(chǎn)的24X系列微控制器中的一員,，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),，內(nèi)嵌Flash或ROM可選，兩個(gè)事件管理器模塊(EVA和EVB),，其中包括了兩個(gè)定時(shí)器[2],、8個(gè)16 bit脈寬調(diào)制（PWM）通道、3個(gè)外部事件的時(shí)間捕獲單元,、片上正交譯碼接口電路,。同時(shí)DSP還集成了CAN2.0、SCI,、SPI,、電源管理等模塊。
除了主控芯片外，采用了一片Microchip公司的PIC16F877[3]單片機(jī)作為系統(tǒng)的I/O接口控制單元,，完成現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集及控制指令輸出,。PIC16F877通過(guò)I2C串行總線擴(kuò)展端口完成現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，包括產(chǎn)量計(jì)數(shù),、外部剔廢計(jì)數(shù),、故障及報(bào)警信息等，PIC16F877內(nèi)部集成有8 bit并行從動(dòng)口,，可以很方便地與主控芯片并行實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù),。
主控芯片通過(guò)外圍數(shù)據(jù)控制器PDC通道以RS232串行方式與上位機(jī)界面及數(shù)據(jù)庫(kù)之間實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。還通過(guò)外圍總線擴(kuò)展控制器EBI擴(kuò)展CAN總線接口及ETHENET接口與生產(chǎn)設(shè)備過(guò)程控制系統(tǒng)之間及生產(chǎn)車間管理信息系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù),。其原理框圖如圖1所示,。
2 工作原理
2.1 煙支重量的識(shí)別[4]
重量控制必須以重量識(shí)別為前提，煙條重量的識(shí)別通過(guò)測(cè)試煙條中煙絲的密度而實(shí)現(xiàn),。煙條中煙絲的密度由核子掃描傳感器連續(xù)測(cè)量,，通過(guò)轉(zhuǎn)軸編碼器將煙條分成可識(shí)別的微分段，旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)一周,，輸出一個(gè)索引脈沖及256個(gè)增量脈沖,，索引脈沖對(duì)應(yīng)實(shí)際煙支的切口位置(物理與電器上的對(duì)應(yīng)要通過(guò)切口校正完成)，這一位置表明一支煙的起點(diǎn),，實(shí)際上每個(gè)索引脈沖包含4支單煙即兩支雙倍長(zhǎng)煙條,。256增量脈沖對(duì)應(yīng)2支雙倍長(zhǎng)煙條，每支單煙包含64個(gè)增量,，所以,，軸編碼器輸出的增量脈沖即為微分計(jì)量單位。圖2所示為煙支重量識(shí)別示意圖,。
DSP2407微處理器的定時(shí)器0,、定時(shí)器1工作于捕捉器方式，定時(shí)器0用于捕捉核子掃描器輸出的與煙支密度相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)的低電平寬度（大的脈沖低電平寬度對(duì)應(yīng)高的煙絲密度）,，每次捕捉事件產(chǎn)生時(shí)產(chǎn)生捕捉中斷,，CPU以最高優(yōu)先級(jí)響應(yīng)該捕捉中斷，讀入本次掃描中斷時(shí)掃描脈沖信號(hào)低電平的寬度Wi（以μs計(jì)）,，同時(shí)通過(guò)定時(shí)器1讀入本次掃描中斷時(shí)所經(jīng)歷的煙條增量脈沖數(shù)INCi,，讀出的掃描脈沖寬度代表當(dāng)前煙條一個(gè)增量微分?jǐn)嗟臒熃z密度，通過(guò)線性化查表及運(yùn)算可得對(duì)應(yīng)的煙條增量微分?jǐn)嗟拿芏戎礢egi：
其中K為核子掃描傳感器信號(hào)的比例系數(shù),，在放射源的半衰期內(nèi)其值不變,，這里取K=1.3。
2.2 重量控制
重量調(diào)節(jié)通過(guò)控制修整器(俗稱劈刀)的位置實(shí)現(xiàn),。
當(dāng)煙支重量過(guò)重時(shí),，控制平整盤馬達(dá)向上運(yùn)動(dòng)減小煙絲通道,，達(dá)到削減煙絲量的目的。反之,，當(dāng)煙支重量過(guò)輕時(shí),，控制平整盤馬達(dá)向下運(yùn)動(dòng)增大煙絲通道，達(dá)到增加煙絲流量的目的,，如圖3所示,。
2.3 重量偏差到位置偏差的換算
煙支重量調(diào)節(jié)以采樣一組連續(xù)16支煙的實(shí)際重量相對(duì)目標(biāo)重量偏差的平均值作為一次調(diào)節(jié)依據(jù)。在對(duì)修整器的位置控制之前,，需要將當(dāng)前采樣所得的煙條重量相對(duì)于目標(biāo)重量的偏差轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的修整器的位置偏差,，采用以下PID調(diào)節(jié)方式計(jì)算：
其中DWk為100支煙的重量偏差的平均值的絕對(duì)值。
由于從核子掃描傳感器中心到修整器位置處有一定煙條數(shù)的距離,，從一次完全采樣到重量調(diào)節(jié)發(fā)生而產(chǎn)生煙條重量的變化有一段時(shí)間的滯后,，因此，煙支重量偏差的采樣周期由從傳感器中心到修整器位置處的煙條數(shù)決定,，缺省值為48,。自一次修整器調(diào)節(jié)結(jié)束后，每N支煙產(chǎn)生,，則查看所需等待的延遲煙條數(shù)的計(jì)數(shù)狀況,。如果延遲未到,，則不作修整器位置更新,；反之，則計(jì)算出新的修整器期望位置,。
2.4 馬達(dá)控制
當(dāng)修整器期望位置要求更新這一事件標(biāo)定后,，使能馬達(dá)控制任務(wù)。
馬達(dá)控制任務(wù)首先采樣修整器所在的實(shí)際位置PA,，然后與期望位置PT比較,，如果：
當(dāng)|PT-PA|<修整器遲滯數(shù)時(shí)(由用戶設(shè)定)，表明修整器控制到位,，本次馬達(dá)控制任務(wù)結(jié)束,，注銷馬達(dá)控制任務(wù)；
當(dāng)|PT-PA|>修整器遲滯數(shù)時(shí)：
(1)PT-PA>0：表明煙支重量過(guò)輕,，控制修整器向下運(yùn)動(dòng),，加大煙絲通道；
(2)PT-PA<0：表明煙支重量過(guò)重,，控制修整器向上運(yùn)動(dòng),，減小煙絲通道。
馬達(dá)控制任務(wù)125 ms調(diào)用一次,，以滿足高速生產(chǎn)狀態(tài)下的重量控制的實(shí)時(shí)性要求,，在馬達(dá)控制任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，每0.5 s檢測(cè)一次修整器的實(shí)際位置，以免修整器到達(dá)電氣控制極限位置,。一次使能馬達(dá)控制后,，如果5 s內(nèi)還不能到達(dá)期望位置，則認(rèn)為修整器控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行出錯(cuò),，注銷本次馬達(dá)控制任務(wù),，并發(fā)出相關(guān)的報(bào)警或停機(jī)信息。
3 實(shí)際應(yīng)用分析
新型的重量控制系統(tǒng)在武漢卷煙廠運(yùn)行一年以來(lái),， 受到了工程技術(shù)人員的一致好評(píng),。系統(tǒng)涵蓋了原有系統(tǒng)的全部功能，電氣接口完全兼容,，性能上有了新的突破,，為煙廠的生產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備管理同時(shí)提供了有力的保證,。
測(cè)試方法：
將10支煙稱重,，該廠定義單支合格范圍為：(910±60)mg。
改造前的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示,。
改造后的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示,。
從以上的對(duì)比數(shù)據(jù)中可以明顯看出， 改造以后的設(shè)備運(yùn)行生產(chǎn)的產(chǎn)品在單支克重這一數(shù)據(jù)指標(biāo)上好于
未改造的設(shè)備,。
重量控制系統(tǒng)生產(chǎn)的煙支質(zhì)量好,。重量控制系統(tǒng)是煙廠重要的設(shè)備之一，要求精確度較高,，所以對(duì)該設(shè)備的要求也很高,。在以往的同類型產(chǎn)品中，速度,、實(shí)時(shí)性都存在缺陷,。而此產(chǎn)品也是各個(gè)公司進(jìn)軍煙草行業(yè)激烈競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)產(chǎn)品。希望通過(guò)對(duì)該產(chǎn)品的不斷改進(jìn),，能夠使其性能不斷完善,，滿足生產(chǎn)的需要，在競(jìng)爭(zhēng)中獲得成功,。
參考文獻(xiàn)
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