0 导言
烟支在出产进程中，因为多种要素的影响，或许会使制品烟的烟丝填充不均匀，烟支的某节烟丝过少或过多，然后呈现空头烟、超重烟、超轻烟。本体系选用可编程器材操控烟支检测，该办法较其他独自硬件规划具有可重用性高，编程便利，规划本钱低，开发周期短，操控灵敏，除掉率高级长处；再者，现在的烟支除掉大部分都是人工挑选，故存在工人作业量大，挑选不洁净等问题，而该体系可使问题烟的判别、除掉作业主动进行，可对问题烟进行挑选，并能够除掉问题烟。
1 硬件规划
烟支检测体系是用于检测烟支某些参数（如空头烟、分量、密度等）的一个体系，该体系一般可由数据收集（传感器）部件、数据处理部件、数据显现部件、机械操控部件等几个部分构成。其体系框图如图1所示。
其间数据收集部件是体系与被检测参数最直接触摸的部分，它是整个体系的数据来历。后期处理是否跟实践共同，直接跟它相关。一般对应不同的物理量，应挑选不同的传感器，如空头烟检测可挑选光电探头或电容式探头，分量操控可挑选分量传感器，密度操控则应挑选密度传感器。
数据处理部件是整个体系的中心，传感器收集的数据首要送往该部件进行处理。它一般可由A／D采样板，差分传输板，FPGA处理主板组成。传感器一般得到的数据是模仿量，故应将数据送到数字处理体系进行处理，以将其转化成数字量来进行后期处理。为了确保传输的正确性和可靠性，在A／D采样板送出数据到体系主板之间应运用双绞线差分传输。体系主板首要是以FPGA为中心的操控板，可完成数据处理（除掉）算法，并为后边的机械部分供给操控信号以及将收集和运算数据送到显现器进行显现，然后满意体系规划的要求。
数据显现部件也称为人机交互接口，该部件是整个体系的最直观的体现。它是用户跟体系进行交互的首要部分，用户能够在其上面挑选一些阈值和处理办法等参数，也能够操控体系的发动和中止。一起，体系再将一些重要数据显现出来，运用户能够直观得出该体系的作业情况等参数。
机械操控部件是整个体系动作的执行者，因为体系板内部都是弱电，不能驱动机械部件动作，故在其间间需加驱动电路，以使其能够正常作业。其作业首要是当数据处理部件依据必定的判定算法得到某烟为问题烟时，对这些问题烟进行除掉。然后使体系能够主动的检测出问题烟并操控除掉动作，削减人工的干涉量，到达主动化的方针。
2 器材选型
2．1 数据收集部件（探头）的挑选
数据收集部件一般坐落整个体系的最前端，它的选型对体系的稳定性、可行性有很大影响，本体系挑选光电传感器作为探头来对烟支的数据进行收集，它的灵敏度直接与除掉率有关。为了让除掉效果到达最好，探头灵敏度有必要调整到适宜的设置值。
灵敏度包含静态灵敏度和动态灵敏度两种，静态灵敏度首要是在静态情况下探头的光反射强度与探头距烟头的间隔、日光、烟头密度及探头电压等之间的联系；动态灵敏度是动态情况下的功用指标。本体系是让探头作业在不同的灵敏度下剖析除掉率和误剔率，然后选定除掉功用最好的灵敏度器材。动态灵敏度的另一个影响要素为动态方位差错，即在采样时间内，由轮盘（与轴编码器同步）滚动形成的方位改变所引起的探头差错，这儿首要从方位差错和探头效果间隔上比较，图2所示是动态方位差错示意图。
在图2中，R表明推烟板曲轴的轮盘半径，一次采样进程的起点为p1，完毕方位为p2，该段继续时间内的曲轴差错为δr，其间：
若所选A／D采样速率为50kHz，采样周期为2×15-5s，那么，按每分钟400转核算，一次采样时间内的轮盘滚动弧度为：
取采样10次的均匀，其方位差错不到4μm。而依据探头的方位呼应曲线，探头的最佳检测间隔在离烟2～3．5mm处，2mm》》4μm，所以，抱负情况下由动态方位引起的差错可忽略不计。
依据以上剖析，本规划选用韩国KODENSHI公司的SG-2BC传感器。
2．2 A／D转化器的挑选
ADS7841E是德州仪器公司开发的一块4通道，12位，带串行接口的模数转化芯片，它是一块低功耗、高速度、高精确度的A／D采样芯片，电压为2．7～5 V，可到达200kHz的转化速率。依据笔者对探头的检验，探头检测的最小改变为0．5V左右，而A／D采样的分辨率为3．3／212V≈8×10-4V，所以，该AD采样芯片完全能够满意规划要求。
2．3 FPGA的挑选
该体系选用EP3C16Q型FPGA进行操控逻辑编程。该器材是ALXERA公司出产的CycloneII系列高功用现场可编程门阵列，并且具有丰厚的逻辑资源。EP3C16Q具有15408个逻辑单元、56个嵌入式乘法器和4个锁相环（PLL），其内部的RAM容量为504Kbits，体系频率高达260MHz，并且稳定性很高。选用单片FPGA完成逻辑操控和数据处理功用能够简化电路规划，进步体系的可靠性并节省本钱。规划时，只需一根下载电缆连接到方针板上，就能够屡次重复编程，并且电路调试十分便利。
3 软件规划
本体系的中心处理程序可选用QUARTUSII7．2软件和Verilog HDL言语进行编写，而上位机软件则可选用Delphi7软件进行编写，其间心部分是数据处理部件，它首要由A／D采样、差分传输和FPGA数据处理部分构成，为了使体系完成愈加便利，且便于操控，挑选FPGA对除掉问题烟的算法十分要害。图3所示是整个体系的程序框图。
3．1 A／D采样
ADS7841E是一款4通道12位的A／D转化芯片，它是由时钟操控的串行输入芯片，芯片DIN中的A2、A1、A0位是通道挑选位，MODE位是12b-it／8bit转化挑选位，本规划挑选高精度的12bit转化，SGL／DIF位用于挑选是单端转化仍是差分转化，本规划挑选单端转化。ADS7841E模块的软件规划原理图如图4所示。
图4中，clkin为体系时钟，CH1～CH7为ADS7841E芯片的转化成果并行输出，该数据可送往FPGA进行判定处理。
3．2 FPGA数据的处理
在对FPGA数据进行处理时，能够选用均值除掉算法。所谓均值除掉算法，便是用一个样本的当时值与一个参考值相减，然后取绝对值，假如成果超越某一门限，就阐明其不符合要求，故可放弃这个数据。假定随机变量X具有数学希望μ和方差σ2，那么，关于恣意正数ε，其不等式（6）建立：
不等式（6）称为切比雪夫不等式，若令ε=3σ，则可得到：
其间，μ为正态分布的希望，σ为正态分布的均方差。由式（8）可知，关于正态随机变量来说，它的值落在区间［μ-3σ，μ+3σ］内几乎是必定的事情，这便是3σ规矩。
因为均值除掉算法完成简略，且除掉功率比较高，因此，该体系挑选均值除掉算法作为试验算法来验证体系的或许性和稳定性。其判别模块的原理图如图5所示。
图5中，clkin为体系时钟，enclk为体系同步时钟，control为操控信号输出。将该操控信号送往驱动板，即可操控机械部件以除掉问题烟，datain为前端A／D采样输出的数据。
3．3 体系原理完成
FPGA程序中还应包含A／D采样操控、算法判定、问题烟检出后的除掉信号发生以及上位机的显现等功用。
整个体系的同步由轴编码器操控，轴编码器的转速与正常卷烟机的速度共同，也便是说，烟条的下落速度越快，轴编码器的转速越快。现在，大部分烟机的速度可达400转／秒，烟条下落一根，轴编码器转一圈（360°）。其体系的全体软件完成原理图如图6所示。
图6所示的整个体系包含A／D转化模块、判定模块和显现模块三部分。其间clkin为体系时钟，ain，bin，zin为轴编码器的输入信号，输出的脉冲enclk为整个体系的同步时钟，该时钟由轴编码器发生。判定模块中的首要输出为均值（aver）、方差（variance）、除掉操控信号（co-ntrol）；显现模块首要将判定模块输出的数据经过串口送往上位机显现，TxD为体系与上位机的接口，用于传输体系所需显现的数据和用户需求操控的参数。
4 规划验证
该烟支检测体系的试验条件是常温，FPGA主板为5V转3．3V供电，除掉操控板的电源电压为24V，模仿烟机的转速为200转／秒（该数据经过显现器进行显现得出）。试验时，先鄙人烟道中放置必定数量的正常烟，再放置一些问题烟（如空头烟），然后经过探头收集数据并送往A／D采样芯片，再将得出的数字信号送到FPGA中进行处理，并核算出判定量，再依据必定的除掉算法判定出问题烟，然后发生一个除掉操控信号去操控烟机上的除掉设备，以将问题烟除掉，一起将核算成果中一些必要的量、除掉的烟支数、除掉率实时的显现到上位机，以供用户检查和了解烟机的工作情况。
5 完毕语
经过对整个体系的很多实践检验可知，该体系能够很好的除掉问题烟，并把相关的数据传到上位机进行显现，一起还能够跟用户进行交互，除掉率能够到达70％左右，能够到达规划参数要求，满意工业出产实践需求。
本体系虽以烟支检测为例，但如替换前端的传感器与后端的机械操控部件，关于其他物体的状况监测相同适用，也能够作为数据收集与处理的一个通用渠道，因此具有宽广的使用远景。
