小議擠壓機擠壓中心監測系統攝像機控制器設計探究

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摘要:根據125MN擠壓機擠壓中心監測系統中多路USB接口攝像機進行圖像采集的特點,結合USB接口攝像機在工業現場遠程圖像采集存在的不足,以VisualC++6·0為軟件開發平臺,設計了一種基于微處理器的串行通信方式的攝像機控制系統,實現擠壓機監測攝像機的遠距離有序接入上位機。現場設備實際運行表明該系統達到了中心監測系統的設計要求。

關鍵詞:串行通信;USB;單片機;數字攝像機;VC++

Abstract:Accordingtothefeaturesofusingmulti-channelUSBinterfacecameratocollectimagefor125MNextruderextrusioncentermonitoringsystem,withtheshortcomingsofUSBinterfacecameraintheindustrialsceneremoteimagecollection,takingVisualC++6·0assoftwaredevelopmentplatform,amicroprocessorbasedserialcommuni-cationsmethodscameracontrolsystemwasdesignedforrealizingtheextrusionmachinemonitoringcamerasremotelyandorderlyaccesstoupperPC.Theequipmentactualrunningatthesceneshowsthatthecameracontrolsystemhasmetthedesignrequirementsofcentralmonitoringsystem.

Keywords:serialcommunication;USB;MCU;digitalcamera;VC++

1引言125MN擠壓機是我國目前在運行的最大噸位雙動擠壓機(水壓機)[1],設備運行近40論文年,為我國國防工業及重型機械制造業發揮了巨大的作用。擠壓機自投產以來,一直高強度滿負荷運轉,機體磨損嚴重,造成擠壓機擠壓中心不對中。以往在調整擠壓中心的過程中,是通過人工反復測量,計算擠壓機各部位的偏差,然后通過調整墊片來完成擠壓機調整對中,或者通過觀察試擠壓產品的質量,憑經驗進行調整[2]。這些方法工作量大、檢測精度低、缺乏科學性,且不能實現在線測量,難以滿足現代化生產的需要。為提高檢測效率和檢測精度,提升該設備的自動化水平,設計了擠壓中心在線監測系統。圖1為125MN擠壓機三維模型。并根據設計要求,設計125MN擠壓機在線監測系統圖像采集系統。在圖像采集方面存在以下難點。(1)監測距離遠:擠壓機機體總長達39m,故圖1125MN擠壓機三維模型1.前梁2.擠壓容室3.活動橫梁4.固定橫梁5.穿孔動梁6.穿孔橫梁7.后梁Fig·1Three-dimensionalmodelof125MNextruder監測系統的監測距離應≥39m。若采用普通USB接口的攝像機則難以達到距離要求。(2)監測目標多:包括擠壓容室、活動橫梁、固定橫梁、穿孔動梁和穿孔橫梁共計6個部件。因此需要12路圖像采集單元才能達到系統檢測要求。上述難點中,最大的技術難題在于需要對位移進行遠距離、多目標監測。目前利用激光位移非接觸測量常用的傳感器有CCD和PSD[3],但由于兩者光敏面太小,且距離較遠時激光光斑較大并有明顯的衍射環出現,故直接用CCD和PSD作為光敏探測器并不適合。通常上位機都帶有兩個以上的USB接口,所以在監測系統中,采用USB接口攝像機采集圖像,利用數字圖像處理技術,實時計算激光光斑在監測窗口中的位置,并利用相應算法,獲得擠壓機擠壓中心位置。根據擠壓機的檢測要求,實現在線選擇性測量某一橫梁的擠壓中心,如何有效選擇性控制多達12路攝像機成為首要解決的問題。串行通信作為一種成熟的技術在計算機通信及工業現場控制在線監測中具有廣泛的應用。系統以VisualC++6·0作為軟件開發平臺,針對USB設備的接口特點,在上位機只有兩個USB接口的情況下,搭建一個基于RS232串行通信的擠壓機擠壓中心在線檢測系統攝像機控制系統,對各橫梁上的兩路攝像機的分時接入上位機,其余橫梁上的10路攝像機此時利用設計的控制系統使處于掛起狀態,即處在無效狀態,實現對擠壓機各橫梁擠壓中心的分時測量。

2控制系統總體方案設計2·1功能技術指標上位機為微型計算機(PC機),下位機為微處理器控制系統。實現功能如下:(1)實現USB接口的攝像機采集到的數字信號的遠距離傳輸;(2)將6組12路攝像機以USB總線的形式接入攝像機控制電路,微處理器控制系統能夠控制相應的攝像機控制電路,按預定要求將指定橫梁上的攝像機接入上位機;(3)微處理器控制系統能夠實現與上位機的通信。根據上述的功能技術要求,該系統由以下幾個模塊組成:微處理器系統控制模塊、USB接口選擇控制模塊及串口通信模塊。主要系統結構框圖如圖2所示。圖2攝像機控制器系統結構框圖Fig·2Systemstructurediagram2·2攝像機采集信號的遠距離傳輸系統設計USB2·0規范的USB設備的有效傳輸距離<5m,要實現信號的遠距離傳輸,一般是遠用光纖。根據125MN擠壓機設備本體上的攝像機的檢測位置距離擠壓機控制室上位機的距離>35m,因此必須加裝USB延長器才能滿足實際應用要求。經過實驗,采用國內某公司產的USB2·0規范的延長器能夠滿足現場圖像的采集要求。USB延長器的接收器和發射器之間通過Cat6光纖網線一一對應連接。完全實現在距離為35m的情況下的圖像的流暢采集。2·3攝像機微控制電路系統設計分析普通的USB接口線定義為:電源、地線和兩根數據線。要將12路攝像機同時接入控制電路,而有選擇的分時選擇接入所需要測量的橫梁上的兩路攝像機。因此,可以將USB接口的兩根數據線作為數據總線,各橫梁上的總的12路攝像機的兩根數據線都分別掛到上位機的兩個USB接口的數據線上,12路攝像機的地線是公用的。微處理器控制電路只需要按上位機指令選擇性地控制某路攝像機組的USB接口的電源線的同時通斷,即可實現該組攝像機在擠壓機擠壓中心監測系統中的同時接入與斷開．

3攝像機控制器系統硬件設計3·1系統硬件結構攝像機控制系統硬件設計主要是下位機(微處理器控制部分),分為單片機系統模塊(以廉價的AT89S52為核心[4])、繼電器控制驅動電路模塊、串口通信電路模塊和USB延長器模塊。USB延長器模塊國內有廠家專門生產,系統設計中無需再設計。3·2功能模塊的硬件實現3·2·1繼電器控制驅動電路模塊微處理器輸出的控制電平信號經反向器放大后,采用ULN2803達林頓管驅動12路5V小功率繼電器[3],控制攝像機USB接口的電源線端的通斷。擠壓機擠壓中心檢測系統要求被測橫梁上的兩路攝像機同時接入上位機,因此,只需要6個微處理器的控制信號即可實現控制6個攝像機組的12路攝像機。為防止繼電器工作時產生的反電動勢沖擊USB接口造成上位機死機,在繼電器線圈的兩端反接一小功率二極管來消除。實現硬件電路如圖3所示。3·2·2串口通信電路模塊異步串口通信的AT89S52與上位機實現串口通信比較方便。采用MAX232實現電平轉換,其連線采用最簡單的零調制三線經濟型[5]。具體電路如圖

5攝像機控制器系統調試擠壓機上位機兼安裝有整個擠壓機的wincc監控控制軟件,因此上位機的穩定性尤為重要。為保證攝像機控制器系統運行的可靠性與安全性,在多次試驗后,在攝像機控制器系統硬件設計時充分考慮了抗干擾隔離措施,主要是:(1)加強下位機中攝像機USB接口電路與上位機USB接口的隔離,防止電壓浪涌造成上位機死機,數據線連接均采用電感隔離;(2)電路中所涉及到的芯片的Vcc和GND之間均接有一個0·1μF去耦電容,并采用磁珠隔離;(3)單片機的電源與達林頓管的電源采用電感隔離,實行分開供電。

6結論通過以上抗干擾措施處理,按照中心監測系統要求實際制造攝像機控制器系統樣機,經國內某公司的125MN臥式擠壓機的擠壓中心監測系統現場安裝試用,系統已經穩定運行4個月,實現了12路,6組攝像機的有序接入上位機。滿足了125MN臥式擠壓機擠壓中心監測系統預期設計要求。在實際的應用過程中,存在的不足是當選擇某橫梁攝像機后,需要等待2~3s,攝像機才能正常工作。分析原因是在頻繁切換攝像機的過程中,上位機需要2~3s的識別響應攝像機時間。這造成在中心監測系統啟動階段的圖像采集有延遲,對于要求實時監測擠壓機的擠壓中心是不利的。但在攝像機啟動后并不影響擠壓中心的測量,這個問題可在以后設備技術升級中換用高速攝像機予以彌補。

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