一種智能紙張厚度計(jì)設(shè)計(jì)*

王曙光， 唐浩漾

(西安郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710121)

一種智能紙張厚度計(jì)設(shè)計(jì)*

王曙光， 唐浩漾

(西安郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710121)

根據(jù)紙張厚度測(cè)量控制系統(tǒng)的功能要求，應(yīng)用β射線吸收原理，完成了一種智能紙張厚度計(jì)設(shè)計(jì)。它以MSP430FG479為微處理器，具有CAN和RS—485通信接口，具有自檢測(cè)和自標(biāo)定功能。給出了系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方法，軟件設(shè)計(jì)流程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢測(cè)精度達(dá)到0.1 %以上。該設(shè)計(jì)方案，換用不同的放射源，可對(duì)各種紙和紙板的厚度進(jìn)行檢測(cè)，易于操作，工作穩(wěn)定。

紙張; 厚度計(jì)； CAN總線； MSP430

0 引 言

紙張的厚度，也稱為定量，是紙最基本的性能指標(biāo)之一，ISO 536對(duì)定量的定義是“按照規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定的紙與紙板單位面積的質(zhì)量， g/m2?！本_、快速、可靠的在線檢測(cè)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代造紙工業(yè)是必不可少的，而厚度計(jì)是其中最關(guān)鍵的設(shè)備。厚度計(jì)所采用的檢測(cè)技術(shù)有電磁、紅外、光電、電容、超聲、β射線定量、XRF和THz-TDS、光學(xué)、X射線熒光、太赫茲時(shí)域光譜等[1]。目前，廣泛使用的厚度計(jì)多基于放射線吸收原理。

厚度計(jì)原始測(cè)量信號(hào)微弱，工作環(huán)境溫度變化大，電磁干擾嚴(yán)重，使測(cè)量精度受到影響。針對(duì)這些因素的處理方法，已有相關(guān)研究[2～4]。另一方面，原來采用的微處理器是普通的MCS—51系列單片機(jī)，集成度低，性能較差。而且傳感器部分與信號(hào)處理單元分離，模擬信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸對(duì)測(cè)量結(jié)果影響也很大。本文設(shè)計(jì)選用16位單片機(jī)MSP430FG479為處理器，使處理精度和速度都有提高，此外，儀表設(shè)計(jì)了CAN和RS—485通信接口，完善了自診斷和自標(biāo)定功能。

1 厚度測(cè)量原理

厚度計(jì)可以分為傳感器和信號(hào)處理單元兩大部分。傳感器部分有源盒和電離室，紙從源盒與電離室中間穿過，阻擋和散射β射線，使電離電流變?nèi)?，按照紙的厚度與電離電流的變化關(guān)系，通過檢測(cè)電離電流可以測(cè)得紙的厚度，進(jìn)而間接得到紙的定量[5]。電離室是內(nèi)阻極高的信號(hào)源，所產(chǎn)生的信號(hào)電流為nA數(shù)量級(jí)，如下式[5]

I=I0e-μρχ,

(1)

式中I0和I為射線穿過紙頁前后的電流；μ為吸收系數(shù)，m2/g；ρχ為定量，其中，ρ為紙的密度，χ為厚度。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

在紙張厚度β射線測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種智能厚度計(jì)，總體框圖如圖1所示。電路部分主要包括MSP430微控制器、測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路、溫度檢測(cè)電路、放射源控制電路、CAN通信接口、RS—485通信接口。

圖1 總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

電離電流經(jīng)過兩級(jí)放大調(diào)整后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器連續(xù)采樣，并對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，然后比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)紙樣的測(cè)量值，計(jì)算出定量值。同時(shí)，電離室和氣隙的溫度用熱敏電阻器測(cè)量，經(jīng)由多路開關(guān)送A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，作為最終的測(cè)量結(jié)果。厚度計(jì)具有CAN總線接口和RS—485接口，可連接計(jì)算機(jī)或其他主控設(shè)備，接收用戶命令和數(shù)據(jù)信息，發(fā)送檢測(cè)結(jié)果。CAN總線接口芯片使用SJA1000。

2.2 單片機(jī)電路

系統(tǒng)以超低功耗的MSP430FG479單片機(jī)為核心，它是具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，采用16位RISC指令集，1.8～3.6 V低電壓工作，同時(shí)具有非常強(qiáng)的處理能力。它內(nèi)置一個(gè)5路輸入的帶參考源的16位A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換器采用Σ-Δ結(jié)構(gòu)，非常適合高精度的檢測(cè)儀表。

2.3 測(cè)量電路

厚度計(jì)的性能受溫度的影響比較嚴(yán)重，在無補(bǔ)償?shù)那闆r下，大約每10 ℃的變化可引起測(cè)量值15 %以上的波動(dòng)，受溫度影響大的環(huán)節(jié)是氣隙、電離室、前級(jí)放大電路[2]。對(duì)氣隙和電離室采用測(cè)溫補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖幚?。?duì)前級(jí)放大電路采用高性能低溫漂放大器，同時(shí)降低放大倍數(shù)，減小反饋電阻，以減小溫度對(duì)放大電路的影響。二次放大電路的放大倍數(shù)適當(dāng)提高。

本文設(shè)計(jì)中，信號(hào)前置放大電路采用儀表放大器AD623[6]，因?yàn)殡婋x室輸出信號(hào)較純凈，不需要濾波，信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～0.02 V的電壓。用單片機(jī)片內(nèi)可編程放大器進(jìn)行二次放大，放大倍數(shù)為128倍，兩級(jí)放大都用反相輸入，然后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓使用單片機(jī)內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓。它的溫度性能穩(wěn)定，精度高，能夠有效降低因基準(zhǔn)噪聲引起的轉(zhuǎn)換誤差。

2.4 通信接口設(shè)計(jì)

RS—485接口很簡(jiǎn)單，不再贅述，以下只說明CAN接口的設(shè)計(jì)。CAN通信控制器中，最常用的是SJA1000[7，8]。但由于MSP430單片機(jī)沒有設(shè)計(jì)外部并行總線，SJA1000雖然可以通過電路設(shè)計(jì)應(yīng)用在這里[9]，但畢竟不太方便。

MCP2515是一種具有高速SPI接口的CAN通信控制器，它共有5種工作模式：配置模式、正常模式、睡眠模式、監(jiān)聽模式、自檢模式。單片機(jī)通過SPI接口訪問MCP2515的內(nèi)部寄存器，可以修改工作模式和進(jìn)行其他功能設(shè)置。它內(nèi)含6個(gè)接收濾波寄存器和2個(gè)接收屏蔽寄存器，可以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。它允許對(duì)數(shù)據(jù)幀的頭2個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和11個(gè)標(biāo)識(shí)符位進(jìn)行信息篩選，方便對(duì)接DeviceNet等應(yīng)用層協(xié)議。

MSP430FG479單片機(jī)片內(nèi)集成有2個(gè)可配置的串口模塊A0和B0，這里選擇A0。單片機(jī)的P2.4和P2.5分別是MO和MI；P3.0為時(shí)鐘信號(hào)，P3.3為STE選通端，與MCP2515的連接很方便；MCP2515的中斷請(qǐng)求信號(hào)接到單片機(jī)的P5.6口。詳細(xì)情況見圖2所示[10，11]。TJA1050T是總線驅(qū)動(dòng)器，有溫度保護(hù)、短路保護(hù)等多種保護(hù)功能，抗干擾能力強(qiáng)。驅(qū)動(dòng)器和MCP2515間加接高速光耦6N137，實(shí)現(xiàn)外部總線與內(nèi)部系統(tǒng)的隔離。

圖2 CAN接口電路

2.5 放射源控制與校準(zhǔn)

放射源放置在鉛盒中，鉛盒留有一個(gè)孔， 射線可經(jīng)此孔發(fā)出?？咨戏接幸粋€(gè)擋板，擋板上有2個(gè)圓孔，一個(gè)是測(cè)量孔；另一個(gè)孔附著一張標(biāo)準(zhǔn)紙樣，稱為校準(zhǔn)孔。擋板由一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可在一定范圍內(nèi)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

源盒設(shè)有3個(gè)位置開關(guān)，對(duì)應(yīng)著3種工作狀態(tài)：停止?fàn)顟B(tài)，測(cè)量狀態(tài)，校準(zhǔn)狀態(tài)。當(dāng)厚度計(jì)不工作時(shí)，鉛盒的孔被擋板擋住，發(fā)不出β射線，此時(shí)是停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)厚度計(jì)正常工作時(shí)，測(cè)量孔轉(zhuǎn)到鉛盒上方，β射線可發(fā)出，進(jìn)行厚度測(cè)量。當(dāng)需要校準(zhǔn)厚度計(jì)時(shí)，校準(zhǔn)孔轉(zhuǎn)到鉛盒上方，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)紙樣進(jìn)行測(cè)量，并與標(biāo)準(zhǔn)值比較，得到校準(zhǔn)值。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)采用了自頂向下的程序設(shè)計(jì)思想，模塊化設(shè)計(jì)。主要的功能模塊有：系統(tǒng)初始化；系統(tǒng)自檢程序；A/D轉(zhuǎn)換；溫度補(bǔ)償計(jì)算；數(shù)字濾波與標(biāo)度變換；源盒電機(jī)控制；CAN接口初始化與測(cè)試；CAN消息接收；CAN消息發(fā)送；CAN應(yīng)用層協(xié)議處理。在主程序需要時(shí)直接調(diào)用這些子程序。

主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

初始化程序?qū)纹瑱C(jī)的時(shí)鐘、復(fù)位、中斷系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器、I/O口、SPI串行接口等部件進(jìn)行初始化設(shè)置，使其能正常工作。然后運(yùn)行系統(tǒng)自檢程序，對(duì)厚度計(jì)的主要部件進(jìn)行的功能測(cè)試，如有異常，給出報(bào)警信息。系統(tǒng)自檢完成后，等待用戶的命令。

厚度計(jì)可工作在掃描模式或校正模式。掃描模式時(shí)，對(duì)紙張進(jìn)行在線檢測(cè)。校正模式時(shí)，對(duì)定量?jī)x進(jìn)行校準(zhǔn)。使用前定量?jī)x一般要預(yù)熱一段時(shí)間，然后先進(jìn)行校正再測(cè)量。校正方式有自動(dòng)和手動(dòng)兩種，手動(dòng)方式時(shí)，可以修改校正參數(shù)。

檢測(cè)結(jié)果的發(fā)送和儀器參數(shù)等信息的設(shè)置和讀取，可以通過串口或CAN總線接口實(shí)現(xiàn)。串口通信采用自由口協(xié)議，CAN應(yīng)用層協(xié)議采用iCAN協(xié)議，本文暫不做深入探討。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

先開機(jī)預(yù)熱30 min以上，然后進(jìn)行校準(zhǔn)。假定厚度計(jì)是近似線性的，測(cè)量前要校正零點(diǎn)和斜率2個(gè)參數(shù)。厚度計(jì)處于測(cè)量狀態(tài)時(shí)，不放入被檢測(cè)物，此時(shí)檢測(cè)值應(yīng)該為0。在校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)紙樣(50 g/m2)進(jìn)行檢測(cè)，并與50 g的標(biāo)準(zhǔn)值比較，計(jì)算出斜率值。校正完成后，進(jìn)行以下測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

取一張大小為200 mm×200 mm的70 g紙，按8行8列平均分成64塊進(jìn)行測(cè)量。表1為測(cè)量結(jié)果。64次測(cè)量的平均值為2.829 g，此紙片用天平稱重為2.827 g，測(cè)量誤差為0.07 %。

表1 測(cè)量結(jié)果(g)

第2組實(shí)驗(yàn)采用相同方法，只不過把兩張70 g紙重疊，厚度加倍。測(cè)量平均值為5.627 g，天平稱重為5.618 g，誤差為0.16 %。當(dāng)被測(cè)紙疊成3層時(shí)，測(cè)量平均值為8.424 g，天平稱重為8.388 g，誤差為0.43 %。

由以上實(shí)驗(yàn)可以得出，用50 g標(biāo)準(zhǔn)紙樣標(biāo)定后，測(cè)量70 g紙張，誤差小于0.1 %。當(dāng)測(cè)量紙張?jiān)龊?，由于?shí)際β射線吸收的非線性，誤差越來越大。但測(cè)量值仍比較穩(wěn)定，此時(shí)加入一個(gè)固定補(bǔ)償值，所得測(cè)量結(jié)果依然足夠精確。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種厚度計(jì)的設(shè)計(jì)方案，采用高度集成、性能穩(wěn)定的電路，與以往產(chǎn)品相比具有體積小、成本低、精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該儀器操作簡(jiǎn)單便捷，性能穩(wěn)定，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可以方便地應(yīng)用于造紙過程控制系統(tǒng)中。

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Design of an intelligent paper thickness gauge*

WANG Shu-guang, TANG Hao-yang

(School of Automation,Xi’an University of Posts & Telecommunications,Xi’an 710121,China)

According to function request for paper thickness measuring control system,adopt β-ray absorption principle，design of a kind of intelligent paper thickness gauge is achieved.It takes MSP430FG479 as the microprocessor,with CAN and RS—485 communication interface,it has also self inspection and self calibration function.Realization method of the system hardware,and software design process are given.Experiment verifies that the precision achieve over 0.1 %.The design scheme can be used to detect thickness of all kinds of paper and board by using different radiate source,easy operation and stable work.

paper; thickness gauge；CAN bus；MSP430

2015—01—15

陜西省教育廳科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(14JK1679)；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012JM8022)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0072—03

TP 23

A

1000—9787(2015)04—0072—03

王曙光(1972-)，男，河北保定人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人技術(shù)。