摘要：針對(duì)面粉加工業(yè)對(duì)小麥硬度精密檢測的需要，提出了基于ARM的小麥硬度檢測控制器的設(shè)計(jì)方案。為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和控制精度，對(duì)小麥硬度檢測的任務(wù)進(jìn)行了合理分解。根據(jù)系統(tǒng)功能，對(duì)控制器的各個(gè)部分進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，分別介紹了功能模塊的實(shí)現(xiàn)和各個(gè)模塊的通信方式及伺服電機(jī)控制方法的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測試小麥硬度檢測控制器的成本低、攜帶方便、穩(wěn)定性好，應(yīng)用前景廣闊。
　　　　
　　小麥籽粒質(zhì)地的軟、硬是評(píng)價(jià)小麥加工品質(zhì)和食用品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，并與小麥育種和貿(mào)易價(jià)格等多方面密切相關(guān)。小麥硬度不但與小麥加工工藝和zui終產(chǎn)品品質(zhì)密切相關(guān)，而且與小麥的制粉品質(zhì)密切相關(guān)，硬度是表征小麥研磨品質(zhì)的主要指標(biāo)。目前面粉加工業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到小麥硬度指標(biāo)的重要性。建國以來，我國一直用角質(zhì)率的大小反映小麥的硬度。該測定法具有很大的局限性，如在實(shí)際操作中不易準(zhǔn)確判斷，人為誤差大，測量工藝繁瑣等問題。研制一種高精度、率、便攜式的小麥硬度檢測控制器很有必要。
　　
　　文中設(shè)計(jì)的沖擊式小麥硬度檢測控制器，以S3C2410為核心控制器，測量工藝簡單，工作可靠，同時(shí)也滿足了工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)性要求。
　　
　　1、小麥硬度檢測原理分析
　　
　　有關(guān)小麥硬度的方法有100多種，其中壓力法是利用壓頭或刀頭壓碎或切割方法來測定小麥硬度。這種方法需要在大量的樣品測定的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析才能得出正確的結(jié)果。　　
　　本系統(tǒng)對(duì)小麥硬度的檢測是基于壓力法，將一定質(zhì)量的小麥裝入圓筒型容器中，經(jīng)過振動(dòng)后以一定壓力P將其壓實(shí)。采用一定直徑D的硬質(zhì)探頭由電機(jī)控制模塊驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)以一定速度V插入盛裝小麥的容器中，富士伺服電機(jī)的電子齒輪由α、β值決定，壓入深度H由控制器的位移檢測模塊根據(jù)伺服電機(jī)的編碼器反饋的脈沖數(shù)來得到。
　　
　　此式中ρ為伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的機(jī)械移動(dòng)量，α、β為命令脈沖補(bǔ)償，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。其中壓力F可以通過公式F=KU得到，其中U為壓力傳感器輸出的電壓，K為壓力傳感器的系數(shù)。根據(jù)壓入深度H與壓力F的關(guān)系和大量的統(tǒng)計(jì)分析得到小麥硬度Y。　　
　　本系統(tǒng)的控制器主要完成伺服電機(jī)的速度和方向的控制，壓力傳感器的信號(hào)采集和探頭的位移檢測的任務(wù)。沖擊式小麥硬度檢測儀的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。
　　
　　2、室控制器硬件電路設(shè)計(jì)
　　
　　2．1zui小控制系統(tǒng)
　　
　　小麥硬度檢測系統(tǒng)要完成一個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集、電機(jī)速度方向控制、壓力探頭位移的測定和通訊等功能，外圍電路豐富?？刂破饕瓿蓚鞲衅鞯臄?shù)據(jù)采集，對(duì)采集的數(shù)據(jù)軟件濾波和壓力探頭位移的實(shí)時(shí)測定及相關(guān)位移數(shù)據(jù)的累加等功能，數(shù)據(jù)運(yùn)算量較大。本系統(tǒng)選用運(yùn)算速度快、抗*力強(qiáng)的S3C2410做微控制器，能夠滿足本系統(tǒng)的要求。
　　
　　2．2濾波與放大電路的設(shè)計(jì)
　　
　　濾波電路主要濾去信號(hào)中的紋波，提高信號(hào)的抗*力。根據(jù)無源低通濾波電路原理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的濾波電路，如圖2所示。傳感器輸出的差分信號(hào)通過電阻R21、R23右端進(jìn)入系統(tǒng)。其中電阻R21、R23和電容C149、C150一起組成了對(duì)地低通濾波結(jié)構(gòu)，目的是濾去差分信號(hào)中的高頻噪聲干擾。并聯(lián)滌綸電容C181、C141能夠很好地衰減掉差模噪聲。高精密電阻R20、R22和鉭電容C173組成低通濾波結(jié)構(gòu)，濾掉了截至頻率以上的信號(hào)，再經(jīng)過滌綸電容C34、C35衰減掉了共模噪聲。壓力傳感器輸出的差分信號(hào)是mV級(jí)的電壓信號(hào)，很容易受到外界的干擾，必須進(jìn)行放大處理才能送到ARM處理器中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。　　
　　AD620是一種低功耗的儀用放大器，特別適合做小信號(hào)的前置放大級(jí)，理論上可以放大1000倍，在此系統(tǒng)中可以通過圖2電路中的電位器W1對(duì)放大的倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
　　
　　2．3電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
　　
　　系統(tǒng)通過電機(jī)控制絲桿上的滑動(dòng)模塊向下運(yùn)動(dòng)以提供均勻壓力。根據(jù)系統(tǒng)的需求，選用富士FALDIC-W型號(hào)的伺服電機(jī)作為執(zhí)行器。伺服電機(jī)的速度的控制使用方波信號(hào)，方波的頻率控制電機(jī)的速度，在應(yīng)用中使用S3C2410的GPB0引腳的TOUT0。伺服電機(jī)方向的控制需要電平信號(hào)，系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)的方向的控制使用GPB1的普通I／O口，通過輸出0、1數(shù)字信號(hào)完成對(duì)電機(jī)正反方向的控制。由于對(duì)電機(jī)速度和方向需要差動(dòng)信號(hào)，要對(duì)控制器發(fā)過來的脈沖和電平控制信號(hào)使用四路差動(dòng)線路驅(qū)動(dòng)器MC3487進(jìn)行轉(zhuǎn)化為差動(dòng)信號(hào)再送給伺服控制器，電路如圖3所示。　　
　　2．4位移檢測電路設(shè)計(jì)
　　
　　位移檢測主要是根據(jù)伺服電機(jī)的編碼器在伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)反饋的脈沖數(shù)來確定探針的移動(dòng)位移。其中編碼器在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)所發(fā)送的脈沖數(shù)可以通過伺服單元的設(shè)置模式進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置范圍為16～32768個(gè)／轉(zhuǎn)。反饋過來的脈沖信號(hào)也是差動(dòng)信號(hào)，對(duì)電機(jī)反饋過來的脈沖差動(dòng)信號(hào)需要使用MC3486來轉(zhuǎn)化為控制器所要的脈沖信號(hào)。這樣就可以利用控制器的外部中斷來檢測脈沖的個(gè)數(shù)。然后利用式（1）實(shí)時(shí)的測定位移傳感器探頭的位移。電路如圖4所示。為了提高準(zhǔn)確的檢測編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)，這里使用了兩路脈沖檢測。其中，SFIA+、SFIA-、SFIB+和FIB-是編碼器的兩相差動(dòng)信號(hào)，通過MC3486轉(zhuǎn)為脈沖信號(hào)，再通過74HC14施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖，然后送到外部中斷進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。　　
　　3、驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)
　　
　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要完成對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化和釋放，把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)、讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)。Linux為所有的設(shè)備文件都提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，方法是使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)structfile_operations。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括許多操作函數(shù)的指針，如open（）、close（）、read（）和write（）等。
　　
　　由于Linux內(nèi)核中自帶有串口和AD的驅(qū)動(dòng)，故只需完成對(duì)位移檢測模塊和電機(jī)控制模塊兩部分的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)就可以了。接下來就以位移檢測驅(qū)動(dòng)為例來說明驅(qū)動(dòng)開發(fā)的方法。前面已經(jīng)提過主要是通過對(duì)編碼器發(fā)出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)位移檢測，脈沖的數(shù)可以使用外部中斷，在此以中斷0為例。只列出此驅(qū)動(dòng)程序中比較重要的函數(shù)，如中斷處理函數(shù)以及讀寫函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。在驅(qū)動(dòng)的Open（）函數(shù)中使用request_irq（IRQ_EINT0，button_irq_ser，SA_INTERRUPT,DEVICE_NAME，NULL）語句注冊(cè)中斷。在驅(qū)動(dòng)的初始化函數(shù)中使用set_external_irq（IRQ_EINT0，EXT_FALLING_EDGE，GPIO_PULLUP_DIS）語句設(shè)置觸發(fā)中斷的類型為下降沿觸發(fā)。所以當(dāng)下降沿來到時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。實(shí)現(xiàn)如下：　　
　　4、硬件測試結(jié)果分析
　　
　　通過對(duì)上位機(jī)的傳感器檢測，設(shè)定伺服電機(jī)的控制脈沖頻率為520Hz，壓力傳感器空載來回測定4次，測得傳感器的mV級(jí)零點(diǎn)值，經(jīng)過多次測量壓力傳感器的零點(diǎn)值誤差精度在（7～8）×10-5，說明沖擊式小麥硬度檢測系統(tǒng)壓力傳感器的零點(diǎn)值是很穩(wěn)定的。測定電機(jī)控制電路的方法是方向控制引腳輸入頻率為520Hz方波脈沖來檢測對(duì)伺服電機(jī)的速度控制情況，設(shè)定伺服控制單元的α=3116，β=1，根據(jù)式（2），其中V是電機(jī)的轉(zhuǎn)速α、β也是命令補(bǔ)償脈沖。可以求出電機(jī)轉(zhuǎn)1圈所需的脈沖個(gè)數(shù)理論值為約42．06個(gè)／轉(zhuǎn)，通過外部中斷控制輸入42060個(gè)脈沖，重復(fù)測試10次，結(jié)果控制精度符合要求。　　
　　對(duì)電機(jī)方向控制引腳輸入0時(shí)，傳感器向下運(yùn)動(dòng)，規(guī)定為正方向，輸入1時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。測試結(jié)果表明控制器的硬件電路經(jīng)度和性能都達(dá)到了預(yù)期的要求。
　　
　　5、結(jié)束語
　　
　　基于ARM的小麥硬度檢測系統(tǒng)，以S3C2410為硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，軟件以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為運(yùn)行平臺(tái)，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中充分地利用了Linux微內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)可裁減的特性和多線程數(shù)據(jù)通信機(jī)制。經(jīng)現(xiàn)場測試，監(jiān)控下位機(jī)軟件能夠地穩(wěn)定運(yùn)行，串口能夠正確接收和發(fā)送兩端數(shù)據(jù)，達(dá)到了預(yù)期的要求。測試結(jié)果表明沖擊式小麥硬度檢測系統(tǒng)具有良好的使用價(jià)值。