小麥硬度檢測控制器的設(shè)計

摘要：針對面粉加工業(yè)對小麥硬度精密檢測的需要，提出了基于ARM的小麥硬度檢測控制器的設(shè)計方案。為提高系統(tǒng)的實時性和控制精度，對小麥硬度檢測的任務(wù)進行了合理分解。根據(jù)系統(tǒng)功能，對控制器的各個部分進行了模塊化設(shè)計，分別介紹了功能模塊的實現(xiàn)和各個模塊的通信方式及伺服電機控制方法的實現(xiàn)。經(jīng)測試小麥硬度檢測控制器的成本低、攜帶方便、穩(wěn)定性好，應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：小麥硬度；ARM；控制器；功能模塊

    小麥籽粒質(zhì)地的軟、硬是評價小麥加工品質(zhì)和食用品質(zhì)的一項重要指標(biāo)，并與小麥育種和貿(mào)易價格等多方面密切相關(guān)。小麥硬度不但與小麥加工工藝和最終產(chǎn)品品質(zhì)密切相關(guān)，而且與小麥的制粉品質(zhì)密切相關(guān)，硬度是表征小麥研磨品質(zhì)的主要指標(biāo)。目前面粉加工業(yè)已經(jīng)認識到小麥硬度指標(biāo)的重要性。建國以來，我國一直用角質(zhì)率的大小反映小麥的硬度。該測定法具有很大的局限性，如在實際操作中不易準(zhǔn)確判斷，人為誤差大，測量工藝繁瑣等問題。研制一種高精度、高效率、便攜式的小麥硬度檢測控制器很有必要。
    文中設(shè)計的沖擊式小麥硬度檢測控制器，以S3C2410為核心控制器，測量工藝簡單，工作可靠，同時也滿足了工業(yè)現(xiàn)場的實時性要求。

1 小麥硬度檢測原理分析
    有關(guān)小麥硬度的方法有100多種，其中壓力法是利用壓頭或刀頭壓碎或切割方法來測定小麥硬度。這種方法需要在大量的樣品測定的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析才能得出正確的結(jié)果。
    本系統(tǒng)對小麥硬度的檢測是基于壓力法，將一定質(zhì)量的小麥裝入圓筒型容器中，經(jīng)過振動后以一定壓力P將其壓實。采用一定直徑D的硬質(zhì)探頭由電機控制模塊驅(qū)動伺服電機以一定速度V插入盛裝小麥的容器中，富士伺服電機的電子齒輪由α、β值決定，壓入深度H由控制器的位移檢測模塊根據(jù)伺服電機的編碼器反饋的脈沖數(shù)來得到。
   
    此式中ρ為伺服電機旋轉(zhuǎn)一周的機械移動量，α、β為命令脈沖補償，ω為電機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。其中壓力F可以通過公式F=KU得到，其中U為壓力傳感器輸出的電壓，K為壓力傳感器的系數(shù)。根據(jù)壓入深度H與壓力F的關(guān)系和大量的統(tǒng)計分析得到小麥硬度Y。

    本系統(tǒng)的控制器主要完成伺服電機的速度和方向的控制，壓力傳感器的信號采集和探頭的位移檢測的任務(wù)。沖擊式小麥硬度檢測儀的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 室控制器硬件電路設(shè)計
2．1 最小控制系統(tǒng)
    小麥硬度檢測系統(tǒng)要完成一個通道的數(shù)據(jù)采集、電機速度方向控制、壓力探頭位移的測定和通訊等功能，外圍電路豐富。控制器要完成傳感器的數(shù)據(jù)采集，對采集的數(shù)據(jù)軟件濾波和壓力探頭位移的實時測定及相關(guān)位移數(shù)據(jù)的累加等功能，數(shù)據(jù)運算量較大。本系統(tǒng)選用運算速度快、抗干擾能力強的S3C2410做微控制器，能夠滿足本系統(tǒng)的要求。
2．2 濾波與放大電路的設(shè)計
    濾波電路主要濾去信號中的紋波，提高信號的抗干擾能力。根據(jù)無源低通濾波電路原理，本系統(tǒng)設(shè)計了一種改進的濾波電路，如圖2所示。傳感器輸出的差分信號通過電阻R21、R23右端進入系統(tǒng)。其中電阻R21、R23和電容C149、C150一起組成了對地低通濾波結(jié)構(gòu)，目的是濾去差分信號中的高頻噪聲干擾。并聯(lián)滌綸電容C181、C141能夠很好地衰減掉差模噪聲。高精密電阻R20、R22和鉭電容C173組成低通濾波結(jié)構(gòu)，濾掉了截至頻率以上的信號，再經(jīng)過滌綸電容C34、C35衰減掉了共模噪聲。壓力傳感器輸出的差分信號是mV級的電壓信號，很容易受到外界的干擾，必須進行放大處理才能送到ARM處理器中進行AD轉(zhuǎn)換。

    AD620是一種低功耗的儀用放大器，特別適合做小信號的前置放大級，理論上可以放大1 000倍，在此系統(tǒng)中可以通過圖2電路中的電位器W1對放大的倍數(shù)進行調(diào)整。
2．3 電機控制電路設(shè)計
    系統(tǒng)通過電機精確控制絲桿上的滑動模塊向下運動以提供均勻壓力。根據(jù)系統(tǒng)的需求，選用富士FALDIC-W型號的伺服電機作為執(zhí)行器。伺服電機的速度的控制使用方波信號，方波的頻率控制電機的速度，在應(yīng)用中使用S3C2410的GPB0引腳的TOUT0。伺服電機方向的控制需要電平信號，系統(tǒng)中對電機的方向的控制使用GPB1的普通I／O口，通過輸出0、1數(shù)字信號完成對電機正反方向的控制。由于對電機速度和方向需要差動信號，要對控制器發(fā)過來的脈沖和電平控制信號使用四路差動線路驅(qū)動器MC3487進行轉(zhuǎn)化為差動信號再送給伺服控制器，電路如圖3所示。

2．4 位移檢測電路設(shè)計
    位移檢測主要是根據(jù)伺服電機的編碼器在伺服電機轉(zhuǎn)動時反饋的脈沖數(shù)來確定探針的移動位移。其中編碼器在電機轉(zhuǎn)動一周時所發(fā)送的脈沖數(shù)可以通過伺服單元的設(shè)置模式進行設(shè)置，設(shè)置范圍為16～32 768個／轉(zhuǎn)。反饋過來的脈沖信號也是差動信號，對電機反饋過來的脈沖差動信號需要使用MC3486來轉(zhuǎn)化為控制器所要的脈沖信號。這樣就可以利用控制器的外部中斷來檢測脈沖的個數(shù)。然后利用式(1)實時的測定位移傳感器探頭的位移。電路如圖4所示。為了提高準(zhǔn)確的檢測編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)，這里使用了兩路脈沖檢測。其中，SFIA+、SFIA-、SFIB+和FIB-是編碼器的兩相差動信號，通過MC3486轉(zhuǎn)為脈沖信號，再通過74HC14施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖，然后送到外部中斷進行脈沖計數(shù)。

3 驅(qū)動軟件設(shè)計
    設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序主要完成對設(shè)備進行初始化和釋放，把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)、讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)。Linux為所有的設(shè)備文件都提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，方法是使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_operations。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括許多操作函數(shù)的指針，如open()、close()、read()和write()等。
    由于Linux內(nèi)核中自帶有串口和AD的驅(qū)動，故只需完成對位移檢測模塊和電機控制模塊兩部分的驅(qū)動設(shè)計就可以了。接下來就以位移檢測驅(qū)動為例來說明驅(qū)動開發(fā)的方法。前面已經(jīng)提過主要是通過對編碼器發(fā)出的脈沖進行計數(shù)來實現(xiàn)位移檢測，脈沖的數(shù)可以使用外部中斷，在此以中斷0為例。只列出此驅(qū)動程序中比較重要的函數(shù)，如中斷處理函數(shù)以及讀寫函數(shù)的實現(xiàn)。在驅(qū)動的Open()函數(shù)中使用request_irq(IRQ_ EINT0，button_irq_ser，SA_INTERRUPT,DEVICE_NAME，NULL)語句注冊中斷。在驅(qū)動的初始化函數(shù)中使用set_external_irq(IRQ_EINT0，EXT_FALLING_EDGE，GPIO_PULLUP_DIS)語句設(shè)置觸發(fā)中斷的類型為下降沿觸發(fā)。所以當(dāng)下降沿來到時，進入中斷服務(wù)子程序。實現(xiàn)如下：



4 硬件測試結(jié)果分析
    通過對上位機的傳感器檢測，設(shè)定伺服電機的控制脈沖頻率為520 Hz，壓力傳感器空載來回測定4次，測得傳感器的mV級零點值，經(jīng)過多次測量壓力傳感器的零點值誤差精度在(7～8)×10-5，說明沖擊式小麥硬度檢測系統(tǒng)壓力傳感器的零點值是很穩(wěn)定的。測定電機控制電路的方法是方向控制引腳輸入頻率為520 Hz方波脈沖來檢測對伺服電機的速度控制情況，設(shè)定伺服控制單元的α=3116，β=1，根據(jù)式(2)，其中V是電機的轉(zhuǎn)速α、β也是命令補償脈沖。可以求出電機轉(zhuǎn)1圈所需的脈沖個數(shù)理論值為約42．06個／轉(zhuǎn)，通過外部中斷控制輸入42 060個脈沖，重復(fù)測試10次，結(jié)果控制精度符合要求。
   
    對電機方向控制引腳輸入0時，傳感器向下運動，規(guī)定為正方向，輸入1時電機反轉(zhuǎn)。測試結(jié)果表明控制器的硬件電路經(jīng)度和性能都達到了預(yù)期的要求。

5 結(jié)束語
    基于ARM的小麥硬度檢測系統(tǒng)，以S3C2410為硬件設(shè)計平臺，軟件以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為運行平臺，在設(shè)計和實現(xiàn)中充分地利用了Linux微內(nèi)核、驅(qū)動可裁減的特性和多線程數(shù)據(jù)通信機制。經(jīng)現(xiàn)場測試，監(jiān)控下位機軟件能夠地穩(wěn)定運行，串口能夠正確接收和發(fā)送兩端數(shù)據(jù)，達到了預(yù)期的要求。測試結(jié)果表明沖擊式小麥硬度檢測系統(tǒng)具有良好的使用價值。