高 敏，楚建安

(西安工程大学电子信息学院，西安 710048)

1 引言

随着社会经济的快速发展，人们的生活水平和生活质量不断提高。对于生活中常常遇到的装修问题，过去的涂料粉刷逐渐被壁纸所代替。壁纸不仅环保而且美观，它将发展成为以后生活中美化环境的主要装饰材料，被广泛应用于各个领域。随着对壁纸需求量的不断增大，对壁纸质量的要求也越来越高。尤其是对印刷有花纹的壁纸，即使在印刷花纹的过程中只有1 丝(0.01mm)的差距，经过发泡后(一般情况下是10 倍)也会产生很大的误差。这将导致在装修时，壁纸拼接处花纹厚度明显的高低不一，降低了壁纸装修的美化效果。基于此，涂层厚度检测是壁纸质量的重要指标之一，精确地测量它是壁纸生产环节中不可缺少的一部分。

在前面的研究中提出了涂布(将糊料均匀的涂在原纸表面，形成壁纸的基础部分)时涂层厚度检测方法的研究，本次设计提出了基于DSP的壁纸印刷花纹涂层厚度在线检测系统。主要提取的是花纹厚度的信号，利用激光传感器的测距原理。花纹的颜色可以是一种或者多种，这样在测量时可以取它的平均厚度值作为花纹的厚度。然后将传感器测量获得的信号经过有效处理后，送入微处理器进行数据处理，最后显示输出。该系统实现了非接触且在线测量。

2 印刷花纹涂层厚度检测系统结构设计

系统的整体结构图设计如图1 所示。传感器把反应花纹涂层厚度的光信号转换成电信号后，因为传感器输出的信号较弱而且有干扰，因此需要经过放大滤波等处理，使信号变换成实际需要范围内的信号。然后一路经过整形处理、光耦合器等送入DSP进行计时，同时产生一个触发脉冲使能A/D 转换，另一路在A/D 使能的情况下进行模数转换，两路信号应该是同步进行的。最后在处理器进行积分处理，通过编程算出平均值，最终将结果通过LCD(液晶显示)显示输出，以供现场的操作人员读取数据。

图1 系统整体结构示意图

3 传感器测厚的基本原理

激光传感器使用的是三角位移测量法，原理是:光源发射出一束光到被侧物体表面，而在另一个方向通过成像可以观察反射光点的位置，最后计算出光点的位移，因入、反射光构成三角形，所以叫三角测量法;此方法包括直射式和斜射式测量，本系统采用直射式测量，光路图如图2 所示。

图2 直射式光路图

系统设计选择的是OMRON的ZS 系列激光传感器。此系列采用的是2D－CMOS 图像芯片且利用线状的光束，有效地完成了高速度和高精度检测。可以实现0.25μm的分辨率，与此同时实现100μs的数据处理周期。

4 系统的硬件组成部分

4.1 抖动问题的解决

安装好传感器后，在线检测壁纸花纹涂层厚度时，受外界环境和设备自身的影响，壁纸可能会产生不同程度的抖动，抖动影响测量准确性。考虑在壁纸的后方安装一根辊子，以既简单成本又低的方法解决此问题。如图3 所示。

图3 抖动解决方法

4.2 放大电路模块的硬件设计

放大电路是以高增益的双运算放大器LM358为核心的。如图4 所示。它的应用涉及到传感放大器、直流增益模块以及全部可用单电源供电的运用到运算放大器的电路［6］。

图4 放大电路

4.3 RC 滤波和绝对值电路

如图5 所示。RC 滤波电路起到隔直通交的作用。绝对值电路:高精确度整流器，它是运用运算放大器的高增益，从而改善整流精确度。绝对值电路说明了无论信号输入的是正值或者负值，电压输出都是正值(输入信号的绝对值)。由此得出输入、输出电压之间的关系式:Vo=|Vi|［4］。

4.4 整形电路模块

整形电路是将处理后的输入信号，转换成为方波信号(高电平就表示有花纹的地方)。如上图6所示:当高电平时，光耦闭合触发定时器进行计时，同时给AD 一使能信号进行A/D 转换。

4.5 数据采集模块(A/D 转换)

传感器输出的模拟信号转为数字信号，以供处理器进行数字信号处理。考虑到本设计系统需要满足的精度和速度性能要求，在信噪比－即精度达到μm 级变化的同时满足一定的采样速率，模数转换芯片选用的是MAX1247。它含有4 通道且分辨率达到12 位的串行A/D 芯片，该芯片采用逐次逼近式，内部有自带的SPI 接口;它还可以在连续转换模式下对外部4 通道模拟输入信号进行顺序转换，且单一电源供电电压为2.7V～5.25V。MAX1247 具有较低的功耗和丰富的片上资源等优点，其内部结构紧凑，集成度高［5］。

4.6 CPU 模块和终端显示

DSP 芯片(亦叫数字信号处理器)，它是适用于数字信号处理运算的一种微处理器，可实时快速地实现各种数字信号处理算法。例如采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等等，以得到需要的信号形式［1］。本设计选用TI 公司的TMS320F2812DSP－既具有数字信号处理的能力，还有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合。

系统应用LCD 与DSP 进行通信来完成显示输出，通过RS232 串口(DSP)实现指令的发送和接收。串口通信的时候，TXD 端发送数据，RXD 端接收数据;DSP 与LCD 显示终端串行通信的硬件电路中，DSP的UART 串口(异步全双工)与MAX232(电平转换芯片)联接，之后通过DB9 串口连至LCD 读取有效的数据。

5 系统的软件设计

DSP 采用结构化语言—C 语言作为开发语言，运用它只须了解其存储器的结构，选用CCS 进行软件开发。系统设计的软件流程图如下图7 所示。

图7 系统的软件流程图

6 结束语

总之，本系统提出了利用激光传感器测量印刷花纹涂层厚度的设计方法，并结合DSP 微处理器，实现了在线花纹涂层厚度的非接触测量。该系统满足了生产中的实际需要—提高生产的产品质量，创造较高的经济效益。

［1］张卫宁.TMS320C28x 系列DSP的CPU 与外设(上)［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［2］孙丽明.TMS320F2812 原理及其C 语言程序开发［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［3］朱尚明，葛运建.激光三角法测距传感器的设计与实现［J］.工业仪表与自动化装置，1998(2):56－58.

［4］曹永祥.绝对值电路及其在A/D 转换器中的应用［J］.自动化仪表，1984(2):18－20.

［5］王喜斌，常淑英.12 位串行A/D 转换MAX1247 原理与应用［J］.华北航天工业学院学报，2004(3):11－14.

［6］National Semiconductor.LM158/LM258/LM358/LM2904 Low Power Dual Operational Amplifiers［P］.USA:National Semiconductor Corporation，2000.www.national.com.