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光电分选机数据采集系统的研究,主要论述光电色选机的数据采集原理和过程,以及控制方法。
光电分选机数据采集系统的研究 The Study of Photoelectric Sorter Data Acquisition System Abstract Sorting is a way to sort and remove infested objects by using photoelectrical technology. The most important part of sorting is accurate data acquisition of the materials. CCD( Charge Coupled Devices) is a sensor integrated the optics to electronics conversion, charge storage and charge transition, which is applied widely in some fields such as camera and industry measurement and so on recently as its feathers of self-scanning, high aspect ratio, higl sensitivity, compact structure and accurate pitch position etc The thesis mainly studies the data acquisition system of photoelectric sorter. The system uses XC3S50 FPGa by Xilinx as the core controller and processor, and uses linear CCD sensor to scan the grainy materials and acquire the image data. The image data through the image digitizer which included the image signal conditioning, AD converter is cached by the external memory and processed by the data process module, The system can realize the display of data acquisition waveform real-time on PC At the beginning, the thesis detailed introduces the CCD working principle. Then the designs and implementations of the drive circuit of CCd camera; the image signal conditioning, sample and store circuit; communication circuit for data transmit; power supply circuit for the voltages and epp interface circuit are introduced in modules. Based on FPGa technology, the system realizes CCd time sequence logical control, CCD image data sample and store. Besides, the design completes synchronous serial communication system based on self-defining protocol; furthermore, the design completes the sample image data acquisition and transmission. Upper computer writes the data acquisition application programs with VC++ and realizes the waveforms of data real-time display. The hardware circuit is mainly designed based on high-speed LSI Large Scale Integrated)circuits and multi- layer circuits Because of this, the design has high reliability and the size of the pcb (Printed-circuit board) is small and matches the camera lenses and volume In this paper, the hardware description is realized in Verilog language. Using Xilinx ISE software has completed the simulation, synthesis, implementation and configuration. The experimental results prove the stable output of CCD and operation of data acquisition system are achieved, test waves are given out. The system 's performance and next study directions re summarized which can provide some experience for further research Key Words: Electro-optical Sorter; Linear CCD; FPGA; Data Acquisition; EPP 独创性说明 作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外, 论文中不包含其他人己经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名:敏波日期:_1062 大连理工大学硕土学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”,同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文 作者签名:笨献波 导师签名>m 影 24年12月2日 63 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1.1光电分选机研究的意义 分选,是物料精加工的一道工序。光电分选机是综合利用了现代光学、电子学和生 物学等新技术,从大量散装产品中将颜色不正常的或感受病虫害的个体(球、块或颗粒) 以及外来夹杂物检测出并自动分选剔除,是典型的光、机、电一体化的高新技术设备。 在合格品与疵品因粒度或密度十分接近,无法用传统的筛选或比重分选设备分离的场 合,其提高产品品质、适应日益发展的商品市场需要的独特作用将十分明显2。它的 应用不但可以提高生产效率,增加其附加值,带来巨大的经济及社会效益,而且还可以 保障食用、使用时的安全性。 在分选机研究方面,国外公司起步较早。美国ESM公司及 Sortex公司分别于20 世纪30年代及40年代研制了这种设备,并根据市场需要不断推陈出新。日本佐竹公司 于1979年首次推出这种产品,且目前生产的GS系列大米色选机性能优越,技术指标稳 定,得到了广泛的应用。日本安西制作所于1966年6月成立后,至今一直着力于光电 分选技术的研究,2002年4月成功开发出世界首创的用于分选低粘度小麦的专用分选机 AU,2004年开发并生产搭载高速CCD( Charge Coupled Device)的大型号色选机DC向 另外从事分选机研究的公司还有美国布勒集团及英国和瑞士的一些粮食加工设备生产 企业。 相对国外而言,国内分选机的研究还处于起步阶段,用于成品的还很少,目前主要 是引进或者改造国外的分选机。主要有:中美合资合肥安科光电有限公司引进美国技术 生产的分选机系列;由浙江齐鲤机械有限公司和韩国韩亚自动化株式会社联合开发制 作的 DIGINICS系列大米分选机;合肥美亚光电技术有限责任公司203年8月推出的 最新8软件系统SB系列数字化分选机,其首次将高速浮点DSP数字信号处理技术 及雷达中的抗干扰技术用于数字化分选机的开发;另外,核工业理化工程研究院自主研 究生产的分选机19年l月通过了国家鉴定,但在结构设计上还有许多值得改进的地 方,各项技术指标与国外产品相比还有一定的差距。 近30年来,光电分选机在发达国家的农业、食品业、工业和矿业等行业中得到了 广泛应用。在我国,分选机已在碾米加工业中占据主导地位,农副产品分选、金属分选 和矿石分选等其它加工业也正在积极推广应用 上述说明,我国在光电分选机的研发方面还处于起步阶段,为了尽可能瞄准国际先 进水平,实现高起点开发,有必要对国产分选机进行技术革新和产品升级。 光电分选机数据采集系统的研究 2 FPGA/CPLD技术及其开发环境 FPGA( Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)和CPLD( Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件),是作为专用集成电路 ASC( Application Specific Integrated Circuit领域中的一种半定制电路而出现的,既继承 了ASIC的大规模、高集成度、高可靠性的优点,又克服了普通ASIC设计周期长、投 资大、灵活性差的缺点,逐步成为复杂数字硬件电路的首选阿。 FPGA主要由以下几个部分组成:()可编程逻辑块CLB:(2)可编程输入输出模块 IOB:(3〕)可编程内部连线P。ⅣO模块分布在芯片四周,它是内部逻辑和芯片封装脚之 间的接口。逻辑单元通过程序定义内部联接关系,完成用户所需的逻辑功能,逻辑单元 与逻辑单元、逻辑单元与外界的连接关系以及矩阵开关的状态都通过程序定义。FPGA 借助于可编程内部连线P把功能比较简单的逻辑块连接在一起,从而实现复杂功能电 路的设计。CPLD的结构相对比较简单,它主要有可编程o单元、基本逻辑单元、布 线池和其他辅助功能模块组成。CPLD在工艺和结构上与FPGA有一定的区别,FPGA 般都是SRAM工艺的,而CPLD一般都是基于乘积项结构的。 1.2.1 FPGA/CPLD设计流程 一般来说,完整的 FPGA/CPLD设计流程主要包括设计与输入、设计仿真、设计综 合、实现和配置下载等主要步骤,其流程图如图11所示。 设计与输入 原理图 功能仿真 HDL文本 综合 综合后仿真 实现实现后仿真 配置下载 在线调试 图1.1 FPGA/CPLD设计流程图 Fig. I 1 Flow chart of FPGA/CPLD design 大连理工大学硕士学位论文 设计与输入是根据设计者的设计方法将所设计的功能描述给EDA软件。常用的设 计方法有硬件描述语言(HD)和原理图设计输入方法原理图设计输入法的优点是直观、 便于理解、元件库资源丰富,缺点是可维护性较差,不利于模块建设与重用,而且当选 用的芯片升级换代后,所有的原理图都要作相应的改动。目前进行大型工程设计时,最 常用的方法是HDL设计输入法,其中最为广泛的HDL语言是VHDL和 Verilog hDL 波形输入法和状态机输入法是两种常用的辅助设计方法,但是这两种方法只有在特定的 情况下才能缓解设计者的工作量,并不适合所有的设计。 电路设计完成后,要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真,验证电路功能是否符 合设计要求。功能仿真有时也称前仿真。通过仿真能及时发现设计中的错误,加快设计 进度,提高设计的可靠性。 综合优化 Synthesize)是指将HDL语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门, RAM,寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑连接(网表),并根据目标与约束条件优化所生 成的逻辑连接,输出edf和edn等文件,供 FPGA/CPLD厂家的布局布线器进行实现。 综合完成后需要检查结果是否与原设计一致,就需要做综合后仿真。在仿真时,把 综合生成的延时文件反标到综合仿真模型中去,可估计门延时带来的影响,综合后仿真 虽然比功能仿真精确一些,但是只能估计门延时,而不能估计线延时,仿真结果与布线 后的实际情况还有一定的差距,并不十分精确。这种仿真的主要目的在于检查综合器的 综合结果是否与设计输入一致。 根据所选芯片的型号,将综合输出的逻辑网表适配到具体的 FPGA/CPLD器件上, 这一过程称为实现( Implementation过程。因为只有器件开发商最了解器件的内部结构 所以实现步骤必须选用器件开发商提供的工具软件 布局布线之后做时序仿真,时序仿真中应该将布局布线的时延文件反标到设计中, 使仿真既包含门延时,又包含线延时信息。与前面的各种仿真相比,这种后仿真包含的 延时信息最为全面、准确,能较好地反映芯片实际的工作情况。 设计开发的最后步骤是在线调试或者将生成的配置文件写入巷片中进行测试。 1.2.2 FPGA/CPLD设计工具 Xil inx|sE介绍 xiix作为当今世界上最大的 FPGA/CPLD生产商之一,长期以来一直推动着 FPGA/CPLD技术的发展。其开发的软件也不断升级换代,由早期的 Foundation系列逐 步发展到目前的ISE8X系列。ISE是集成综合环境的简称,它是 Xilinx FPGA/CPLD的 综合性集成设计平台,该平台集成了从设计输入,仿真,逻辑综合,布局布线与实现、 时序分析、芯片下载和配置、功率分析等几乎所有设计流程所需工具。限于篇幅只对 光电分选机数据釆集系统的研究 FPGA设计流程涉及的常用工具加以介绍。根据设计流程与功能划分,ISE的集成工具 主要分为设计输入工具、综合工具、仿真工具、实现工具和辅助设计工具等5类间 设计输入是工程设计的第一步,设计输入工具主要包括HDL编辑器( HDL Editor) 状态机编辑器( StateCAD)、原理图编辑器(ECS)、核生成器( Core generator和测试激励 编辑器( HDL Bencher等。HDL语言方式由于其设计重用和代码移植性好受到广泛应用。 ISE集成的综合工具主要有 Synplicity公司的$ ynplify/Synplify pro, Synopsys公司 的 FPGA Compiler Il/ Express和 Xilinx ise中的XST等。 ISE集成的仿真工具主要有 Model tech公司的仿真工具 Modelsim和测试激励发生 器 HDL Bencher等。 Modelsim是一个独立的仿真工具,并且在工作的时候并不需要其 他软件的协助,在ISE集成开发环境中给 Modelsim仿真软件预留了接口,通过这个接 口可以从ISE集成环境中直接启动 Modelsin工具进行仿真。 ISE集成的实现工具主要有约束编辑器 Constraints editor)、引脚与区域约束编辑器 ACE)、时序分析器( Timing Analyzer)、FPGA底层规划器 fpGa Editor)芯片观察窗 Chip viewer)和布局规划器( Floorplanner)等。 ISE还集成了很多辅助设计工具,主要工具包括以下几种:PROM配置文件分割器 PROM Flle Formatter可以完成配置文件的分割。 iMPACT配置器可以实现将配置文件 下载到 FPGA/CPLD或相应的存储器等功能。它的主要功能是下载、回读与校验配置数 据,生成SVF和 STAPL文件。功能损耗器( XPOWER是估计设计功耗的工具。 本文中FGA设计采用ISE7集成工具,设计输入工具利用 Verilog hDL的输入 设计方式,采用 Synplicity公司的$ ynplify Pro73作为ISE集成的综合工具完成综合过 程,仿真工具用的是 Modelsim55和ISE自带的测试激励生成器 HDL Bencher完成 全部仿真,从而完成了从设计输入到综合、布线、仿真、下载的工程。 1.2.3 FPGA/CPLD的配置模式 由于FPGA器件用的是SRAM工艺,在断电的情况下FPGA内的配置数据就会 丢失,所以,在采用FGA器件的电子系统中通常将FPGA的配置数据存放于其兼容的 SPROM中,上电时由控制电路将 SPROM中的配置数据装入FPGA器件中,但是通常 的 SPROM价格昂贵, SPROM芯片多为一次可编程芯片(OTP, One-time-programmable), 有的虽然可以多次擦写,但调试阶段FPGA程序更新较快,所以有必要在系统试验、调 试阶段采用可重复使用的方式配置FPGA linx FPGa的配置共有三种模式,分别为并行( SelectMap)模式、串行( Serial模式 和边界扫描 Boundary Scan)模式。本设计采用的是边界扫描配置方法,它是JAG标 大连理工大学硕士学位论文 准 B3习,因此,有时也称JTAG配置模式,该模式只有四个专用的配置信号线,分别为 TCK(时钟)、TD(数据输入)、TDO数据输出)和TMS(状态的控制。理AG下载电缆通 过标准并口与PC机相连,实现在线系统配置,它的构成为:与PC机并口相连的25针 插座,与目标PCB板插座相连的6针插座和25针到6针的变换电路。下载时,将下载 电缆连到PCB板上,就可以非常方便的实现在线系统配置,大大方便了电路的调试。 Xiix公司的所有cPLD产品均支持JTAG方式的下载,其由于为ROM型,所以 其配置文件掉电不丢失,而且其扩展的JAG指令集允许对编程模式和在系统调试进行 控制,最少1000的编程/擦除周期可实现系统区的重新配置和升级。 1.24 Ver i log HDL与ⅥDL的比较 随着EDA技术的发展,使用硬件描述语言设计 CPLDIFPGA成为一种趋势。目前 最主要的硬件描述语言是HDL和 Verilog hD。VHDL发展的较早,语法严格,是 一种全方位的语言,包括从系统到电路的所有层次设计,在描述风格上支持结构,数据 流和行为三种形式的描述方式。而Ⅴ Verilog hDl是在c语言的基础上发展起来的一种硬 件描述语言,语法较自由,用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系 统建模。它们的共同特点是利于由顶向下设计,利于模块的划分与复用,可移植性好, 通用性好,设计不因芯片的工艺与结构的变化而变化,更利于向ASIC的移植。 Verilog hDL语言已经有20多年的历史了因此 erilog HDL拥有广泛的设计群体, 成熟的资源比ⅤHDL丰富。同时 Verilog HDL是从C语言发展而来的,相比VHDL更 容易上手,其编程风格也更加简洁明了,是一种排常容易掌握的硬件设计语言1作为 专用集成电路(ASC)设计人员则必须首先掌握 Verilog hDl,因为在C设计领域,90% 以上的公司都是采用ⅴ erilog HDL进行IC设计。在本文中选用 Verilog HDL进行 FPGA/CPLD的应用开发。 1.3本文研究的主要内容和结构安排 本文主要对光电分选机的数据采集系统进行了研究,它以高分辨率、低噪声的线阵 CCD器件为核心,以 Xilinx公司的FPGA芯片XC3S50作为主控制器和处理器,通过 EPP协议与计算机并口进行通信。本文是按照数据采集系统的各个模块的设计与实现过 程来安排的。 论文的结构安排如下 第1章在对光电分选机及其研究意义做了简要的介绍以后,详细的介绍了 FPGA/CPLD技术及其开发环境。

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