摘 要： 主要介紹了一種低成本的基于DSP微控制器的在線識別煙支重量的方法。在介紹系統(tǒng)組成的基礎上，分析了系統(tǒng)的工作原理及對煙支重量進行實時控制的實際算法和實現(xiàn)途徑，并通過在實際應用中所取得的數(shù)據(jù)和以前的數(shù)據(jù)進行比較分析，得出整個系統(tǒng)改進后的可行性和穩(wěn)定性。
關鍵詞： DSP；重量識別；重量控制
煙的重量作為香煙品質的一個重要指標，越來越受到煙廠的普遍關注。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。高速卷煙生產過程中煙支重量的識別及控制,是整個高速卷煙機實時控制過程中最為復雜、技術含量最高的環(huán)節(jié)。目前，國內外所使用的高速卷煙機上配備的煙支重量的識別及控制系統(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料的溫度、濕度等外部因素影響較大，在使用過程中控制參數(shù)需經(jīng)常調整；核子掃描由于其性能穩(wěn)定且受煙絲來料的溫度、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上配備的煙支重量的識別及控制系統(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
由于煙支重量的識別過程的強實時性要求（要求>8 000支/min），煙支的采樣、跟蹤和剔出過程的強實時性要求，以及與上位人機界面及實時數(shù)據(jù)庫的實時數(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。主控芯片負責對核子掃描信號的處理，形成與煙支重量相關的所有數(shù)據(jù)信息，識別不合格的煙支、軟點和硬點，形成煙絲分布狀態(tài)曲線、完成重量控制任務以及與上位人機界面及實時數(shù)據(jù)庫之間的實時數(shù)據(jù)交換。
DSP2407[1]是TI公司生產的24X系列微控制器中的一員，采用高性能靜態(tài)CMOS技術，內嵌Flash或ROM可選，兩個事件管理器模塊(EVA和EVB)，其中包括了兩個定時器[2]、8個16 bit脈寬調制（PWM）通道、3個外部事件的時間捕獲單元、片上正交譯碼接口電路。同時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]單片機作為系統(tǒng)的I/O接口控制單元，完成現(xiàn)場生產狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集及控制指令輸出。PIC16F877通過I2C串行總線擴展端口完成現(xiàn)場生產狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，包括產量計數(shù)、外部剔廢計數(shù)、故障及報警信息等，PIC16F877內部集成有8 bit并行從動口，可以很方便地與主控芯片并行實時交換數(shù)據(jù)。
主控芯片通過外圍數(shù)據(jù)控制器PDC通道以RS232串行方式與上位機界面及數(shù)據(jù)庫之間實時交換數(shù)據(jù)。還通過外圍總線擴展控制器EBI擴展CAN總線接口及ETHENET接口與生產設備過程控制系統(tǒng)之間及生產車間管理信息系統(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 煙支重量的識別[4]
重量控制必須以重量識別為前提，煙條重量的識別通過測試煙條中煙絲的密度而實現(xiàn)。煙條中煙絲的密度由核子掃描傳感器連續(xù)測量，通過轉軸編碼器將煙條分成可識別的微分段，旋轉編碼器每轉一周，輸出一個索引脈沖及256個增量脈沖，索引脈沖對應實際煙支的切口位置(物理與電器上的對應要通過切口校正完成)，這一位置表明一支煙的起點，實際上每個索引脈沖包含4支單煙即兩支雙倍長煙條。256增量脈沖對應2支雙倍長煙條，每支單煙包含64個增量，所以，軸編碼器輸出的增量脈沖即為微分計量單位。圖2所示為煙支重量識別示意圖。
DSP2407微處理器的定時器0、定時器1工作于捕捉器方式，定時器0用于捕捉核子掃描器輸出的與煙支密度相對應的脈沖信號的低電平寬度（大的脈沖低電平寬度對應高的煙絲密度），每次捕捉事件產生時產生捕捉中斷，CPU以最高優(yōu)先級響應該捕捉中斷，讀入本次掃描中斷時掃描脈沖信號低電平的寬度Wi（以μs計），同時通過定時器1讀入本次掃描中斷時所經(jīng)歷的煙條增量脈沖數(shù)INCi，讀出的掃描脈沖寬度代表當前煙條一個增量微分斷的煙絲密度，通過線性化查表及運算可得對應的煙條增量微分斷的密度值Segi：
其中K為核子掃描傳感器信號的比例系數(shù)，在放射源的半衰期內其值不變，這里取K=1.3。
2.2 重量控制
重量調節(jié)通過控制修整器(俗稱劈刀)的位置實現(xiàn)。
當煙支重量過重時，控制平整盤馬達向上運動減小煙絲通道，達到削減煙絲量的目的。反之，當煙支重量過輕時，控制平整盤馬達向下運動增大煙絲通道，達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
煙支重量調節(jié)以采樣一組連續(xù)16支煙的實際重量相對目標重量偏差的平均值作為一次調節(jié)依據(jù)。在對修整器的位置控制之前，需要將當前采樣所得的煙條重量相對于目標重量的偏差轉換成對應的修整器的位置偏差，采用以下PID調節(jié)方式計算：
其中DWk為100支煙的重量偏差的平均值的絕對值。
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節(jié)發(fā)生而產生煙條重量的變化有一段時間的滯后，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。自一次修整器調節(jié)結束后，每N支煙產生，則查看所需等待的延遲煙條數(shù)的計數(shù)狀況。如果延遲未到，則不作修整器位置更新；反之，則計算出新的修整器期望位置。
2.4 馬達控制
當修整器期望位置要求更新這一事件標定后，使能馬達控制任務。
馬達控制任務首先采樣修整器所在的實際位置PA，然后與期望位置PT比較，如果：
當|PT-PA|<修整器遲滯數(shù)時(由用戶設定)，表明修整器控制到位，本次馬達控制任務結束，注銷馬達控制任務；
當|PT-PA|>修整器遲滯數(shù)時：
(1)PT-PA>0：表明煙支重量過輕，控制修整器向下運動，加大煙絲通道；
(2)PT-PA<0：表明煙支重量過重，控制修整器向上運動，減小煙絲通道。
馬達控制任務125 ms調用一次，以滿足高速生產狀態(tài)下的重量控制的實時性要求，在馬達控制任務執(zhí)行過程中，每0.5 s檢測一次修整器的實際位置，以免修整器到達電氣控制極限位置。一次使能馬達控制后，如果5 s內還不能到達期望位置，則認為修整器控制機構執(zhí)行出錯，注銷本次馬達控制任務，并發(fā)出相關的報警或停機信息。
3 實際應用分析
新型的重量控制系統(tǒng)在武漢卷煙廠運行一年以來， 受到了工程技術人員的一致好評。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，為煙廠的生產管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計、設備管理同時提供了有力的保證。
測試方法：
將10支煙稱重，該廠定義單支合格范圍為：(910±60)mg。
改造前的測試數(shù)據(jù)如表1所示。
改造后的測試數(shù)據(jù)如表2所示。
從以上的對比數(shù)據(jù)中可以明顯看出， 改造以后的設備運行生產的產品在單支克重這一數(shù)據(jù)指標上好于
未改造的設備。
重量控制系統(tǒng)生產的煙支質量好。重量控制系統(tǒng)是煙廠重要的設備之一，要求精確度較高，所以對該設備的要求也很高。在以往的同類型產品中，速度、實時性都存在缺陷。而此產品也是各個公司進軍煙草行業(yè)激烈競爭的一個產品。希望通過對該產品的不斷改進，能夠使其性能不斷完善，滿足生產的需要，在競爭中獲得成功。
參考文獻
[1] 王茂飛.DSP技術與應用開發(fā)[M].北京：清華大學出版社，2007.
[2] 江思敏.DSP硬件開發(fā)教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.
[3] 李學海.PIC單片機實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.
[4] 汪耀庭.SRM研究報告[M].武漢：華中科技大學，2003.