基于硬币分拣包装机的DSP控制系统设计

Dynamical Systems and Control 动 力 系 统 与 控 制, 6, 5(), 6-69 Published Online April 6 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/dsc http://dx.doi.org/.677/dsc.6.57 DSP Control System Design Based on Coin Sorting Packaging Machine Qiao Zhang, Jun Li, Shihai Huang, Xiaobing Li, Yanfei He, Zhen Zhao School of Mechantronics and Vehicle Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing Received: Mar. 5 th, 6; accepted: Apr. 5 th, 6; published: Apr. 8 th, 6 Copyright 6 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4./ Abstract The research aim of this passage is the control system of the coin sorting apparatus. The passage mainly discusses the design of coin sorting machine s control system based on DSP, meanwhile, mainly explains the design of the seizure of counterfeit coins with eddy current sensor, the coin counting with photoelectric counter and the stepper motor micro-step control system, etc. By the coordination of every module, we achieve the functions of sorting, packaging, and picking out the fake from a pile of mixed coins. Keywords DSP, Eddy Current Sensor, Stepper Motor, Data Processing 基 于 硬 币 分 拣 包 装 机 的 DSP 控 制 系 统 设 计 张 乔, 李 军, 黄 世 海, 李 小 兵, 何 燕 飞, 赵 桢 重 庆 交 通 大 学 机 电 与 车 辆 工 程 学 院, 重 庆 收 稿 日 期 :6 年 3 月 5 日 ; 录 用 日 期 :6 年 4 月 5 日 ; 发 布 日 期 :6 年 4 月 8 日 摘 要 本 文 以 硬 币 分 拣 装 置 的 控 制 为 研 究 对 象, 重 点 讨 论 了 基 于 DSP 的 硬 币 整 理 机 器 的 控 制 系 统 设 计, 主 要 阐 文 章 引 用 : 张 乔, 李 军, 黄 世 海, 李 小 兵, 何 燕 飞, 赵 桢. 基 于 硬 币 分 拣 包 装 机 的 DSP 控 制 系 统 设 计 [J]. 动 力 系 统 与 控 制, 6, 5(): 6-69. http://dx.doi.org/.677/dsc.6.57

述 了 电 涡 流 传 感 器 的 硬 币 检 伪 光 电 计 数 器 的 硬 币 计 数 检 测 步 进 电 机 的 细 分 控 制 等 模 块 的 研 究 通 过 各 个 模 块 的 协 调 配 合 实 现 了 混 杂 硬 币 的 分 拣 检 伪 包 装 等 功 能 关 键 词 DSP, 电 涡 流 传 感 器, 步 进 电 机, 数 据 处 理. 引 言 本 文 所 设 计 的 是 针 对 集 硬 币 分 类 整 理 包 装 和 检 伪 功 能 为 一 体 的 装 置 的 控 制 系 统 系 统 主 要 由 硬 币 分 类 及 检 伪 模 块 整 理 模 块 硬 币 包 装 模 块 三 大 模 块 组 成 目 前, 我 国 许 多 金 融 机 构 没 有 专 门 的 硬 币 分 类 清 点 整 理 设 备, 多 道 工 序 目 前 仍 停 留 在 手 工 操 作 层 面 上, 劳 动 强 度 大, 工 作 效 率 低 针 对 国 外 硬 币 处 理 机 来 说, 无 论 是 大 型 还 是 小 型 都 有 一 定 的 水 平, 技 术 较 成 熟, 但 是 价 格 昂 贵 [] [] 本 设 计 以 分 拣 盘 导 轨 及 包 装 滚 柱 为 主 要 元 素 构 建 机 械 结 构, 尽 可 能 地 减 少 了 机 器 体 积 以 及 成 本 电 涡 流 传 感 器 被 广 泛 用 于 硬 币 的 识 别 中, 但 是 利 用 互 感 原 理 引 起 阻 抗 变 化 进 而 通 过 分 辨 相 位 方 法 识 别 的 研 究 尚 未 出 现, 本 文 设 计 了 一 种 基 于 相 位 变 化 鉴 别 硬 币 真 伪 的 方 法, 是 一 种 创 新 性 的 设 计 方 法 此 外, 使 用 相 位 鉴 别 硬 币 具 有 信 号 采 集 处 理 简 单, 精 度 高, 实 时 性 强 等 优 点 在 包 装 控 制 方 面, 步 进 电 机 的 驱 动 采 用 了 细 分 电 流 的 驱 动 方 法, 能 够 细 分 步 进 电 机 的 步 进 角, 减 少 步 进 电 机 运 动 的 误 差, 同 时 该 技 术 相 当 成 熟, 拥 有 许 多 成 熟 的 IC 可 以 使 用, 可 以 减 少 工 作 量 以 及 提 高 系 统 稳 定 性 软 件 开 发 环 境 我 们 选 择 了 CCS,CCS 是 TI 公 司 提 供 的 集 成 开 发 环 境, 采 用 TI 公 司 的 C 编 译 器, 针 对 DSP 的 独 特 性 能 要 求 进 行 了 编 译 优 化, 使 C 语 言 能 够 充 分 发 挥 DSP 的 强 大 处 理 能 力. 硬 币 分 拣 包 装 机 械 结 构 本 文 所 针 对 的 是 集 硬 币 分 类 整 理 包 装 和 检 伪 功 能 为 一 体 的 装 置 机 械 系 统 主 要 由 硬 币 规 整 及 检 伪 模 块 硬 币 分 类 模 块 硬 币 包 装 模 块 三 大 模 块 组 成, 如 图 所 示 Figure. Overall mechanical system architecture diagram 图. 整 体 机 械 系 统 结 构 图 6

3. 控 制 系 统 总 体 结 构 及 检 伪 流 程 系 统 控 制 结 构 如 图 所 示, 主 要 分 为 电 涡 流 传 感 器 检 伪 光 电 计 数 器 计 数 电 磁 铁 开 关 步 进 电 机 等 四 个 模 块 组 成 3.. 电 涡 流 传 感 器 工 作 原 理 电 涡 流 传 感 器 的 原 理 如 图 3 所 示, 根 据 法 拉 第 电 磁 感 应 定 律, 一 个 通 有 交 变 电 流 I 的 线 圈, 将 在 线 圈 周 围 空 间 会 产 生 一 个 交 变 磁 场 H, 若 被 测 导 体 在 该 范 围 内, 金 属 导 体 内 就 会 有 感 应 电 流 I 产 生, 由 于 这 种 电 流 的 路 径 在 金 属 导 体 内 是 闭 合 的, 会 在 导 体 内 产 生 电 涡 流 所 以 被 测 导 体 会 产 生 电 涡 流 I, 以 及 一 个 交 变 磁 场 H, 且 H 与 H 方 向 相 反, 力 图 削 弱 H 的 作 用, 从 而 使 线 圈 的 电 感 量 阻 抗 和 品 质 因 素 发 生 变 化 [3] 为 了 简 化 分 析, 可 将 电 涡 流 看 成 是 一 个 线 圈 和 一 个 电 阻 构 成 的 闭 合 回 路, 故 电 涡 流 传 感 器 的 等 效 电 路 如 下 图 4 所 示 : 电 涡 流 传 感 器 检 伪 D S P 控 制 器 光 电 计 数 器 计 数 电 磁 铁 开 关 驱 动 步 进 电 机 驱 动 Figure. System mode structure 图. 系 统 模 块 结 构 传 感 器 线 圈 h H 被 测 金 属 导 体 i Figure 3. Eddy current sensor schematic 图 3. 电 涡 流 传 感 器 原 理 图 63

İ R M R İ U L L Figure 4. Eddy current sensor equivalent circuit 图 4. 电 涡 流 传 感 器 等 效 电 路 图 中 R, L 为 电 涡 流 传 感 器 的 电 阻 和 电 感, R, L 为 被 测 导 体 的 等 效 电 阻 和 电 感 两 者 之 间 的 互 感 系 数 为 M, 激 励 电 压 为 U, 根 据 基 尔 霍 夫 电 压 定 律, 有 : I R+ jωli jωmi U = I R + jωli jωmi = 由 式 () 解 出 等 效 阻 抗 为 : ω M ω M Z = R+ R + j ωl ωl () R + ( ωl) R + ( ωl) 由 式 () 可 得 探 头 线 圈 的 等 效 电 阻 和 电 感 分 别 为 : () ω M R = R + R ( ωl ) R + ω M L = ωl ωl ( ωl ) R + (3) (4) 由 式 (3) (4) 可 以 看 出 探 头 线 圈 的 等 效 电 阻 增 大, 等 效 电 感 减 小 [4] 考 虑 到 线 圈 的 等 效 阻 抗 还 与 探 头 距 离 导 体 的 距 离 被 测 导 体 的 磁 导 率 电 阻 率 和 激 励 电 流 的 频 率 有 关 因 此, 探 头 线 圈 的 等 效 阻 抗 Z 与 以 上 因 素 的 关 系 可 以 表 示 为 : (, µρ,, ) Z = F x f (5) 其 中, x 为 线 圈 探 头 距 离 导 体 的 距 离 ; µ 为 被 测 导 体 的 磁 导 率 ; ρ 为 被 测 导 体 的 电 阻 率 ; f 为 线 圈 中 激 励 电 流 的 频 率 所 以, 在 硬 币 分 拣 装 置 检 测 中, 当 不 同 的 硬 币 经 过 探 头 时, 等 效 阻 抗 会 不 相 同, 电 压 信 号 的 相 位 会 发 生 变 化 由 此 可 以 通 过 对 比 数 据 库 中 的 真 值 与 测 量 值 的 差 异 来 判 断 被 测 硬 币 的 真 假, 实 现 对 硬 币 的 检 伪 工 作 检 伪 中 传 感 器 首 先 需 进 行 学 习 任 务, 传 感 器 采 集 真 币 的 数 据, 经 转 换 电 路 将 其 转 换 成 电 压 信 号, 然 后 通 过 相 敏 检 波 电 路 得 到 信 号 相 位, 再 经 过 模 数 转 换 后 进 入 DSP, 将 采 集 到 的 瞬 时 信 息 输 入 DSP 处 理 器, 将 其 与 DSP 数 据 库 中 的 真 币 数 据 进 行 对 比 分 析, 从 而 判 断 出 被 测 硬 币 的 真 假 传 感 器 电 路 空 载 时 的 电 路 波 形 图 如 图 5 所 示 : 64

Figure 5. Eddy current sensor load simulation map 图 5. 电 涡 流 传 感 器 空 载 仿 真 图 由 图 5 可 知 电 路 输 出 为 v 的 正 弦 波, 然 后 由 相 敏 检 波 电 路 输 出 相 位 信 号, 再 经 过 DSP 内 置 ADC 转 换 之 后, 就 可 以 由 DSP 处 理 后 判 断 真 伪 币 3.. 光 电 计 数 器 的 选 择 及 控 制 由 于 激 光 对 射 式 开 关 具 有 性 能 稳 定 响 应 速 度 快 光 扰 小 寿 命 长 等 优 点, 故 本 次 控 制 采 用 M 激 光 对 射 光 电 计 数 开 关 传 感 器 对 硬 币 进 行 计 数 当 有 信 号 触 发 时, 传 感 器 输 出 低 电 平,DSP 接 收 到 信 号 后 将 数 码 管 数 字 加, 计 数 次 数 达 到 5 次 时, 将 数 码 管 的 数 字 清 零, 同 时 处 理 器 发 出 信 号 驱 动 开 关 将 收 币 通 道 关 闭, 为 下 一 步 包 装 做 好 准 备 之 后 的 硬 币 停 留 在 预 备 筒 内 3.3. 步 进 电 机 的 控 制 步 进 电 机 可 用 于 机 械 装 置 精 确 前 进 后 退 和 旋 转 等 运 动 的 控 制, 当 没 有 超 载 时 电 机 的 转 速 停 止 的 位 置 只 取 决 于 脉 冲 信 号 的 脉 冲 数, 而 不 受 负 载 变 化 的 影 响, 而 且 它 可 以 在 较 大 的 频 率 范 围 内 通 过 改 变 脉 冲 频 率 实 现 速 度 调 节 当 需 要 两 相 混 合 式 步 进 电 机 具 有 更 小 的 步 距 角 时, 可 以 对 每 次 切 换 的 电 流 做 改 变 若 每 次 只 改 变 绕 组 电 流 一 部 分, 则 转 子 只 按 比 例 转 动 歩 距 角 的 一 部 分, 从 而 实 现 步 进 电 机 歩 距 角 的 细 分 为 此, 定 子 绕 组 电 流 从 一 个 方 波 变 成 阶 梯 状 的 波 形 定 子 绕 组 电 流 是 阶 梯 式 的, 电 流 细 分 成 正 弦 阶 梯 状, 每 流 过 一 个 阶 梯 电 流 则 转 子 就 转 动 一 微 步, 每 流 过 一 个 正 弦 周 期 电 流 则 转 子 就 转 动 一 个 歩 距 角 [5] 细 分 驱 动 方 式 是 一 种 成 本 较 低 的 控 制 方 式, 本 次 控 制 将 采 用 两 相 混 合 式 步 进 电 机 的 细 分 驱 动 方 式 当 在 步 进 电 机 的 两 相 绕 组 中 通 入 如 下 相 位 关 系 的 电 流 : ia ib = Icosα = Isinα 按 照 式 (6) 对 步 进 电 机 A B 相 电 流 进 行 控 制, 转 子 转 动 角 度 大 小 即 为 α 值, 当 i 与 α 为 离 散 值 时, 每 当 电 流 变 化 一 个 值 时, 则 转 子 转 动 一 个 角 度, 从 而 实 现 了 步 进 电 机 步 进 角 的 细 分 因 此, 在 实 际 应 用 中 我 们 可 以 通 过 产 生 阶 梯 电 流 脉 冲, 产 生 拟 合 的 正 弦 曲 线, 来 进 行 步 进 电 机 的 细 分 控 制, 细 分 步 数 即 电 流 阶 梯 数 如 图 6 所 示 : (6) 65

A 相 B 相 Figure 6. Current curve segments 图 6. 细 分 电 流 曲 线 实 现 方 案 : 产 生 细 分 电 流 的 系 统 框 如 图 7: ) 理 想 波 形 发 生 器 数 学 模 型 : 本 次 控 制 采 用 4 细 分 电 流 来 控 制 步 进 电 机, 其 电 流 为 : ( ) ( ) ia = Isin t π 4 ib = Icos t π 4 (7) 其 中 i i A B 为 A B 相 的 电 流 值,t 为 步 数,4 为 细 分 数 先 计 算 每 步 的 电 流 值 i i, A B 然 后 存 放 在 ROM 中 运 行 时, 计 算 机 给 ROM 发 出 地 址 信 号,ROM 中 的 相 应 数 据 经 过 DA 转 换 输 出 相 应 的 电 流 值, 其 值 作 为 理 想 电 流 值 ) PID 控 制 环 节 : 为 了 提 高 系 统 的 稳 定 性 和 准 确 性, 可 在 系 统 中 串 联 PID 控 制 器 为 了 方 便 实 现, 设 计 采 用 软 件 PID 控 制 其 PID 的 微 分 模 型 为 : ( ) t det ut ( ) = Ket p ( ) + KI et ( ) dt+ K (8) D dt 对 式 (8) 进 行 离 散 化 处 理, 使 模 拟 PID 微 分 方 程 离 散 化 成 为 数 字 PID 差 分 方 程 当 传 感 器 的 采 样 周 期 足 够 小 时, 可 作 如 下 近 似 处 理 : t ( ) u( k) u t (9) ( ) ek ( ) et k () ( ) d ( ) = ( ) i= i= k et t ei t Tei () ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) de t e k e k e k e k = dt t T 由 式 (9) () () () 可 得 到 数 字 PID 差 分 模 型 为 : 通 过 DSP 编 程 可 实 现 软 件 PID 算 法 [6] k ( ) k P k I j D k k j= () u = K e + K e + K e e (3) 66

期 望 输 入 - PID PWM 发 生 器 功 率 放 大 步 进 电 机 Figure 7. Current segmentation system block diagram 图 7. 电 流 细 分 系 统 框 图 3) PWM 发 生 器 DSP 从 电 流 反 馈 采 样 电 路 中 获 取 得 到 A B 相 的 实 际 电 流 值, 与 给 定 的 A B 相 电 流 值 比 较, 求 出 其 差 值 然 后, 将 差 值 信 号 经 软 件 PID 环 节 整 形, 再 将 整 形 后 的 信 号 送 至 DSP 事 件 管 理 器 的 PWM 产 生 模 块, 以 产 生 有 效 输 出 信 号 将 PWM 信 号 送 至 步 进 电 机 驱 动 芯 片, 由 步 进 电 机 驱 动 芯 片 对 PWM 信 号 做 功 率 放 大 和 相 应 的 整 形 等 处 理 后 输 出 呈 拟 正 弦 曲 线 波 到 步 进 电 机 绕 组, 最 终 达 到 对 步 进 电 机 绕 组 电 流 的 控 制, 以 实 现 精 确 的 步 进 角 控 制 4) 电 流 反 馈 电 机 A B 相 绕 组 电 流 的 采 样 信 号 从 功 率 驱 动 电 路 的 两 个 采 样 点 以 电 压 的 形 式 输 出, 因 为 绕 组 电 流 存 在 正 反 向, 则 输 出 电 压 也 存 在 正 反 向 这 一 电 压 需 要 送 到 电 流 反 馈 电 路 中 进 行 限 幅 偏 置 等 处 理 3.4. 硬 币 分 拣 装 置 系 统 检 测 流 程 如 图 8 所 示, 系 统 的 控 制 检 测 流 程 如 下 4. 系 统 的 开 发 环 境 CCS (code composer studio) [7] 是 TI 公 司 提 供 的 集 成 开 发 环 境 CCS 目 前 有 CCS,CCS5 和 CCS6 三 个 不 同 的 型 号 本 次 设 计 采 用 CCS 使 用 CCS 集 成 开 发 环 境, 可 以 很 轻 松 的 建 立 管 理 工 程, 同 时 TI 提 供 了 强 大 的 专 为 DSP 优 化 的 C 语 言 编 译 器, 可 以 通 过 C 语 言 充 分 发 挥 DSP 强 大 了 处 理 能 力 5. 实 验 数 据 分 析 对 于 硬 币 的 实 验 对 象, 用 电 涡 流 传 感 器 测 试 了 不 同 硬 币 的 特 征 电 压 值, 选 择 了 新 版 的 元 5 角 角 和 三 种 伪 币 ( 用 游 戏 币 代 替 ) 进 行 了 测 试, 得 到 如 图 9 数 据 曲 线 分 析 数 据 曲 线 可 知, 伪 币 的 特 征 电 压 值 范 围 与 真 币 的 特 征 电 压 值 范 围 有 明 显 的 区 分 度, 而 且 不 同 面 值 的 真 币 之 间 也 有 一 定 的 区 分 度, 所 以 本 次 设 计 的 传 感 器 能 将 伪 币 检 测 出 来 6. 结 论 本 文 以 硬 币 分 拣 装 置 的 系 统 控 制 为 研 究 对 象, 重 点 讨 论 了 基 于 DSP 的 硬 币 整 理 机 器 的 控 制 系 统 设 计, 主 要 阐 述 了 电 涡 流 传 感 器 的 硬 币 检 伪 光 电 计 数 器 的 硬 币 计 数 检 测 步 进 电 机 的 细 分 控 制 等 系 统 的 设 计 其 中 检 伪 传 感 器 使 用 电 涡 流 传 感 器, 该 传 感 器 通 过 AD895 产 生 信 号 通 过 探 头 采 集 信 号 并 进 行 后 置 处 理, 最 后 使 用 AD83 进 行 相 位 检 测, 从 而 区 分 真 伪 币 该 传 感 器 具 有 非 接 触 精 度 高 实 时 性 好 的 特 点, 能 够 满 足 硬 币 分 拣 检 伪 的 需 要 67

开 始 真 币 否 是 计 数 剔 除 伪 币 是 否 满 5 收 捡 包 装 出 币 Figure 8. The system detects flowchart 图 8. 系 统 检 测 流 程 图 电 压 /V.4.4.38.36.34 游 戏 币 游 戏 币 3 游 戏 币 角 硬 币 元 硬 币.3 5 角 硬 币.3 3 4 5 6 7 Figure 9. Coins voltage characteristic curve 图 9. 硬 币 特 征 电 压 值 曲 线 装 置 的 动 力 系 统 主 要 由 高 精 度 的 步 进 电 机 与 传 动 系 统 等 组 成, 通 过 细 分 电 流 的 驱 动 方 法, 以 达 到 很 高 的 步 进 精 度, 从 而 保 证 硬 币 分 拣 装 置 机 械 运 动 的 准 确 性 使 用 CCS 作 为 集 成 开 发 环 境, 可 以 在 一 个 软 件 中 完 成 代 码 工 程 的 建 立 管 理 编 译 调 试 等 行 为, 同 时 可 以 发 挥 DSP 的 强 大 信 号 处 理 能 力 68

致 谢 本 论 文 是 在 李 军 和 陈 里 里 老 师 的 悉 心 指 导 下 才 完 成 的, 两 位 老 师 在 理 论 基 础 扎 实, 别 处 心 裁, 在 实 践 中 勇 于 开 拓, 专 业 知 识 丰 富, 本 项 目 的 完 成 无 不 凝 聚 着 李 军 和 陈 里 里 老 师 的 心 血 和 汗 水 衷 心 地 感 谢 李 军 和 陈 里 里 恩 师, 衷 心 地 感 谢 和 我 一 起 完 成 这 篇 论 文 的 黄 世 海 李 小 兵 何 燕 飞 和 赵 祯 同 学, 和 你 们 一 起 学 习 特 别 开 心 衷 心 的 感 谢 重 庆 市 重 点 实 验 室 项 目 (csct5yfpt_zdsys3) 对 我 们 的 支 持 参 考 文 献 (References) [] 肖 丽 英. YB5 全 自 动 硬 币 计 数 包 卷 机 研 制 [J]. 包 装 工 程, 3, 4(3): 8-9. [] Elabu, C. (9) Vacuum Operated Coin Sorting Assembly. US947887. [3] 孙 凯. 环 形 结 构 涡 流 传 感 器 的 研 制 [D]: [ 硕 士 学 位 论 文 ]. 合 肥 : 测 试 计 量 技 术 及 仪 器,. [4] 高 晓 蓉, 李 金 龙, 彭 朝 勇. 传 感 器 技 术 [M]. 成 都 : 西 南 交 通 大 学 出 版 社, 3: 6-7. [5] 李 建 军. 基 于 微 控 制 器 的 步 进 电 机 驱 动 控 制 系 统 实 现 [D]: [ 硕 士 学 位 论 文 ]. 广 州 : 华 南 理 工 大 学,. [6] 范 立 南, 李 雪 飞. 计 算 机 控 制 技 术 [M]. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社, 9: 3-3. [7] Texas Instruments Inc. TMS3C8x Optimizing C/C++ Compiler v5...lts User s Guide (Rev. J). http://www.ti.com/lit/ug/spru54j/spru54j.pdf 69