基于DSP的智能紙張白度試驗機

初 明， 陳帥兵， 張立強， 趙金萍

（長春工業大學 電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012）

0 引 言

在涉及到紙張生產及應用的行業，如印刷行業，紙張白度是廣泛被關注的重要指標，是產品質量的重要保證。文中成功實現了紙張白度及熒光白度的快速精確測量。

1 系統結構

國標規定：以模擬D65光源、漫射／垂直照明觀測條件下，紙、紙板和紙漿對主波長457nm藍光的漫反射因數（%）表示白度測定結果［1］。而漫反射因數是由一物體反射的輻通量與相同條件下完全漫反射體反射的輻通量之比，以百分數表示［2］。因此，實現對白度測量的關鍵是在模擬D65光源，漫射／垂直照明條件下，對紙張反射的輻通量的測量。為實現上述功能，文中描述的紙張白度試驗機主要有以下幾個關鍵部分構成：

1）鹵鎢燈光功率穩定控制部分。光強的波動會引起測量結果的誤差。影響光強穩定的因素很多，如電路元件的老化、外界散光、環境溫度、光源自身老化以及光源電壓或電流的波動等［3］。文中設計了一種基于電壓調節器LM723的光功率負反饋控制系統，把一切引起光功率不穩定的因素轉化為改變光源端電壓，從而控制光功率穩定在一個固定值。

2）調制扇步進電機驅動部分。為了有效降低低頻雜散光的干擾，需要將鹵鎢燈發出的光經調制扇調制成具有一定頻率的正弦光。DSP內部合成具有一定頻率的數字信號，UDN2916LB收到DSP發出的PWM信號后控制步進電機帶動斬光盤以恒定的轉速轉動。

3）基于光電二極管的紙張白度檢測部分。因為要實現對主波長457nm藍光漫反射因數的測定，所以，本設計選擇藍紫光光譜相應高的S1133作為光電響應器件，S1133的輸出為與光強成正比的微弱的光電流［4］，還要經I／V轉換，選頻放大電路，限幅電路等后進入DSP，由DSP中的內部A／D轉換為數字信號，同時，在DSP內直接合成與檢測信號相關的參考信號，通過相關檢測有效提取有用信號，去除噪聲［5］。

4）濾光片插板自動檢測模塊。對紫外插板和R457濾光片插板對應的紅外光敏三極管的輸出電壓進行檢測，并通過插板指示燈指示，提示用戶在進行不同的檢測項目時插入相對應的插板。

5）鍵盤顯示模塊。本系統采用以SST89C54為核心的獨立單元，該模塊具有4×4鍵盤和240×128液晶顯示功能，界面友好，操作方便。該模塊以RS232C標準方式與DSP通訊，有效降低了DSP的負荷。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 系統硬件設計

混合電壓：由于DSP2812是3.3V器件，所以文中采用了電平轉換芯片74HC244，下文所述DSP IO均為通過該芯片轉換后的CMOS電平。光功率自動控制電路如圖2所示。

圖2 光功率自動控制電路

LM723自身恒壓源通過Vref腳輸出對地7V恒定電壓，經變阻器分壓后在NI端獲得一恒定電壓。同時該芯片在Vout腳輸出電壓經過Rsc，R1與R2分壓，使INV端獲得反向比較電壓。LM723通過比較NI與INV端的電位保持輸出電壓VO恒定。DSP通過調節Vref端外接的數字電位器X9511，可實現待機狀態下鹵鎢燈工作在半電壓狀態，以延長燈使用壽命。

光電二極管的紙張白度檢測：光電二極管工作在零偏壓模式，接收經被測紙張漫反射的光照后，產生與光強成正比的光電流，由低噪聲放大器將光電流進行I／V轉換，再經選頻放大，如圖3所示。

圖3 選頻放大電路

在選頻放大器的反饋通路中采用雙T濾波器，利用雙T濾波器的選頻特性得到帶通濾波器，選頻放大器的中心頻率為10Hz，帶寬為2.5Hz，對信號頻率以外的噪聲有很強的濾除作用，最后經移相和限幅電路進入DSP片內A／D，將光強轉換為數字量，與DSP片內產生的與輸入信號同頻的參考信號通過相關器得出被測試樣漫反射的光照度值［6］。

調制扇步進電機驅動電路：輸入信號與參考信號必須是同頻同相的，參考信號在DSP內部直接合成，同時，這個信號還用來驅動調制扇步進電機以把鹵鎢燈發出的光調制能與參考信號同頻的正弦光［7］。為了消除低頻噪聲和工頻噪聲的干擾，選取參考信號的頻率值為10Hz，那么步進電機的轉速V為10r／s。DSP依據內部合成的數字信號發出一定的PWM波給UDN2916LB。UDN2916LB的4個輸出引腳OUT1A，OUT1B，OUT2A，OUT2B依次輸出信號驅動步進電機按照一定步長勻速旋轉。

鍵盤顯示模塊：本系統采用以SST89C54為核心的獨立單元。SST89C54的片內20K子節的flash能滿足液晶及按鍵的編程需要。該模塊以RS232C標準方式與DSP實時交換數據，具有矩陣式的4×4鍵盤和240×128液晶顯示功能。界面友好操作方便，有效降低了DSP的負荷［8］。

3 DSP系統軟件設計

DSP完成了整個系統中大量的軟件功能，為了完成這些功能，除用到TMS320F2812的核心部分外，還充分應用了其片內的許多外設模塊，如A／D模塊，定時器，PWM，SPI，UART，看門狗等模塊。DSP啟動后首先進行初始化操作，包括對各個中斷向量的設置以及對DSP的鎖相環進行設置，以使各內部模塊時鐘頻率達到要求；之后執行主程序查詢任務。主程序的任務標志是由周期為15ms定時器中斷來分配的。首先進入定時器中斷后，中斷程序識別鍵盤顯示模塊有無通訊要求，按鍵以命令方式發送，DSP定時器中斷服務子程序置各種任務的任務標志。退出中斷后，主程序查詢任務標志，執行相關任務函數。按周期進行電壓的數據采樣、相關運算、控制及數據傳輸等。

鍵盤顯示模塊的操作界面采用類Windows視窗風格，按操作人員的習慣及相關規范安排各步操作，同時，配合各種圖形、圖表等直觀方式實時顯示檢測數據。每次檢測的數據結果都將通過DSP的SPI接口存入93C56內保存，循環覆蓋。

4 結 語

DSP內部合成具有一定頻率的數字信號，再發出PWM信號驅動調制扇步進電機，將直流光調制成正弦光，由光電二極管接收，放大，濾波后送入DSP，并經其A／D模塊轉換成數字信號，然后與DSP內部直接合成的參考信號進行相關運算，得出光照度值，再經一定的白度計算公式得出試樣的白度值。經過實驗驗證，該儀器精度可達0.5級，在實際應用中，該系統測量準確，運行可靠，維護率低。

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB／T 7974－2002紙、紙板、紙漿亮度（白度）的測定（漫射／垂直法）［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［2］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB／T 7973－2003紙、紙板、紙漿漫反射因數的的測定（漫射／垂直法）［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［3］袁川，周德成，梅毅，等.標準光源高穩定電源的設計［J］.中國照明電器，2006，1：24－28.

［4］姜長泓，林曉梅，張慶利.紙張勻度測試儀的研制［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2000，21（1）：37－39.

［5］Boashash Boualem，Mesbah Mostefah.Using DSP to detect serzures in newborns［J］.Electronics Systems ＆ Software，2003，16：34－37.

［6］胡廣書.數字信號處理：理論、算法與實現［M］.北京：清華大學出版社，2003：263－267.

［7］高明輝，林潔瓊，廉鳳慧，等.基于AOTF的便攜式近紅外光譜測量儀的研制［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2008，29（3）：314－316.

［8］初明，楊光，牛曉升，等.基于DSP技術的智能盤紙接頭長度測定儀［J］.儀器儀表用戶，2006（2）：16－179.