淺談活蛹繅絲蠶品種優(yōu)選裝置信號(hào)采集器設(shè)計(jì)

邢印強(qiáng)

（柳州市自動(dòng)化科學(xué)研究所，廣西 柳州 545001）

0 引言

廣西是國(guó)家“東蠶西移”戰(zhàn)略實(shí)施以來全國(guó)乃至全世界最大的蠶繭和生絲產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)蠶繭40 多萬噸，生絲3 萬噸以上，形成了“世界蠶業(yè)看中國(guó)，中國(guó)蠶業(yè)看廣西”的格局。傳統(tǒng)的蠶品種優(yōu)選采用手工單繭繅絲，測(cè)量單絲長(zhǎng)度、斷點(diǎn)數(shù)及首斷長(zhǎng)度，檢測(cè)員在黑板上觀測(cè)颣節(jié)數(shù)，并憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)蠶絲品質(zhì)進(jìn)行比對(duì)評(píng)判的方法。品種選育抽樣實(shí)驗(yàn)工作量大，數(shù)據(jù)計(jì)算煩瑣，進(jìn)行一組品種優(yōu)選試驗(yàn)需要十幾天的時(shí)間，效率低、人為因素影響大、選種周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了廣西蠶繭育種事業(yè)的發(fā)展。即使是在如此落后的條件下，廣西蠶業(yè)專家經(jīng)過多年的努力，仍選育出了桂蠶一號(hào)和桂蠶二號(hào)等優(yōu)良品種[1]。如果能在活蛹繅絲過程中，實(shí)時(shí)自動(dòng)化批量檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)并進(jìn)行品質(zhì)判斷，則可將一個(gè)蠶品種的優(yōu)選工作時(shí)間從手工操作、判斷、計(jì)算需要的近20 天縮短到一天之內(nèi)，甚至一天可以進(jìn)行多個(gè)品種的優(yōu)選采樣和檢測(cè)工作，最大限度地提高了品種優(yōu)選效率，對(duì)促進(jìn)蠶品種優(yōu)選優(yōu)育、生絲品質(zhì)及產(chǎn)量的提高具有重要意義。

1 一體化紅外檢測(cè)高精度傳感器設(shè)計(jì)

廣西蠶品種體型相對(duì)較小，單根蠶絲平均直徑在13 μm左右，蠶絲颣節(jié)的檢測(cè)是傳感器設(shè)計(jì)的核心和難點(diǎn)，一般紡織行業(yè)采用的電容式檢測(cè)方法因繅絲過程中的水汽太大而不能使用[2]，同時(shí)因?yàn)樵擃悅鞲衅黛`敏度太低，響應(yīng)速度慢，無法滿足檢測(cè)需要。通過大量的實(shí)驗(yàn)，最終確定采用紅外線投影的檢測(cè)方式，精選進(jìn)口高靈敏紅外線發(fā)射和接收管作為基礎(chǔ)器件，經(jīng)過嚴(yán)格的篩選和配對(duì)，保證了檢測(cè)的精度和一致性。在防水密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)專門的模具并制作了一體化的全鋁合金外殼，處理器電路板安裝在主殼體內(nèi)，紅外線接收、發(fā)送管配對(duì)安裝在帶有“U”形凹槽的矩形窗口的支架上，發(fā)射和接收窗口內(nèi)安裝有點(diǎn)光源與平行光轉(zhuǎn)換透鏡，同時(shí)為了降低環(huán)境光線等對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，在紅外發(fā)射與接收窗口增加了2 層定制波長(zhǎng)的紅外線濾光片，實(shí)現(xiàn)定制波長(zhǎng)紅外線帶通濾波，有效解決了環(huán)境光和其他波長(zhǎng)無線電信號(hào)的干擾問題，提高了檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

活蛹繅絲紅外檢測(cè)傳感器根據(jù)單根蠶絲在紅外平行光線的照射下，在矩形接收窗口所形成的投影面積的變化對(duì)蠶絲進(jìn)行檢測(cè)[5]，紅外線發(fā)射窗口及透鏡將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換為平行光投射到接收窗口，活蛹繅絲過程中蠶絲投射在接收窗口上的投影面積的大小反應(yīng)了蠶絲的粗細(xì)和均勻度[4]，即：蠶絲的投影面積與蠶絲的直徑為正比例關(guān)系，轉(zhuǎn)換為接收信號(hào)電壓則與蠶絲的直徑成反比例關(guān)系。當(dāng)蠶絲通過接收檢測(cè)窗口時(shí)，投影面積增加，信號(hào)輸出電壓減小，其中如有颣節(jié)出現(xiàn)，則投影面積會(huì)突然變大，此時(shí)輸出信號(hào)電壓會(huì)急劇下降，根據(jù)設(shè)定的不同閥值實(shí)現(xiàn)颣節(jié)及大小的識(shí)別[5]。當(dāng)蠶絲出現(xiàn)斷點(diǎn)時(shí)，接收窗口沒有蠶絲投影，此時(shí)輸出信號(hào)電壓為一個(gè)較為恒定的基礎(chǔ)值，可有效識(shí)別蠶絲何時(shí)出現(xiàn)斷點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)了蠶絲的颣節(jié)、斷點(diǎn)識(shí)別的基礎(chǔ)上，再根據(jù)絡(luò)絲筒上的計(jì)數(shù)圈數(shù)和絡(luò)絲筒直徑計(jì)算出各段蠶絲的長(zhǎng)度，完成單根蠶絲首斷長(zhǎng)度、颣節(jié)數(shù)、斷點(diǎn)數(shù)、每段絲長(zhǎng)度及總長(zhǎng)度等主要參數(shù)和指標(biāo)的在線檢測(cè)。活蛹繅絲颣節(jié)、斷點(diǎn)檢測(cè)示意圖如圖1 所示。

圖1 活蛹繅絲颣節(jié)、斷點(diǎn)檢測(cè)示意圖

2 采集器硬件整體設(shè)計(jì)

因?yàn)樵诨钣伎壗z過程中，每顆蠶繭都浸泡在各自獨(dú)立的水杯里[3]，蠶絲經(jīng)過檢測(cè)傳感器窗口時(shí)帶有一定的水分，并且經(jīng)過藥水的浸泡具有一定的腐蝕性，所以設(shè)計(jì)和制作的所有電路板均噴涂了樹脂防水膠層，紅外檢測(cè)窗口鑲嵌了2 層帶通濾波片，紅外發(fā)射和接收矩形投影窗口也做了全密封防水處理。所有電路均安裝在一體化鑄造的鋁合金殼體內(nèi)，即使用水沖洗整套繅絲設(shè)備，所有檢測(cè)頭（每套設(shè)備為20 個(gè)）也都不會(huì)遭到破壞，防水性、防腐蝕和抗電磁干擾性能較好，可靠性較高，一體化活蛹繅絲數(shù)據(jù)采集器的維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單容易，只需定期用鏡頭紙擦拭導(dǎo)絲槽內(nèi)的紅外發(fā)射與接收窗口，保持清潔即可。

活蛹繅絲過程中，蠶絲經(jīng)過檢測(cè)窗口的走絲速度相對(duì)于其直徑和颣節(jié)大小的比值很高，最大走絲速度可達(dá)到15 m/min，為了能精確識(shí)別蠶絲在紅外接收窗口中投影面積的變化，對(duì)采樣速度有很高要求，否則很容易錯(cuò)過颣節(jié)而無法正確識(shí)別。因此，設(shè)計(jì)中采用了速度為40 MSPS 高速A/D 轉(zhuǎn)換器件和高精度信號(hào)處理電路，同時(shí)搭配比傳統(tǒng)的單片機(jī)速度高6 倍的單指令周期（1T）單片機(jī)進(jìn)行采樣處理[6]。實(shí)際設(shè)計(jì)使用采樣速度達(dá)到30 MSPS，保證了最大走絲速度下每毫米長(zhǎng)度的蠶絲有1.2 萬個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，足以保證能夠?qū)θ魏未笮〉娘K節(jié)都進(jìn)行正確識(shí)別和判斷。活蛹繅絲蠶品種優(yōu)選裝置數(shù)據(jù)采集器的功能模塊組成示意圖如圖2 所示。

3 采集器軟件設(shè)計(jì)

活蛹繅絲數(shù)據(jù)采集器采用數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)方式實(shí)現(xiàn)單絲長(zhǎng)度信號(hào)的采集，蠶絲卷繞在圓形絡(luò)絲筒上，每轉(zhuǎn)一周提供一個(gè)數(shù)字脈沖，表示周長(zhǎng)為20 cm，當(dāng)蠶絲出現(xiàn)斷點(diǎn)時(shí)，計(jì)量誤差為一個(gè)脈沖（即：長(zhǎng)度±20 cm），軟件設(shè)計(jì)采用中斷觸發(fā)模式，由中斷服務(wù)程序完成對(duì)長(zhǎng)度計(jì)數(shù)脈沖的累計(jì)。

颣節(jié)的有效檢測(cè)需要采樣點(diǎn)密集并均勻，否則會(huì)漏掉颣節(jié)導(dǎo)致檢測(cè)不到或檢測(cè)結(jié)果一致性很差。該采集器紅外檢測(cè)采樣頻率設(shè)計(jì)為30 MSPS，在如此高的采樣頻率下要保證一致的均勻度，采用普通查詢方式顯然是做不到的，只能采用定時(shí)中斷方式，由定時(shí)器觸發(fā)每一次數(shù)據(jù)采集，中斷服務(wù)程序完成高速A/D 數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等任務(wù)。颣節(jié)的識(shí)別功能由嵌入在主程序循環(huán)中的識(shí)別子程序完成，采用動(dòng)態(tài)移位數(shù)組實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送及傳輸。

智能化活蛹單繭繅絲蠶品種優(yōu)選裝置一般有2組共計(jì)20個(gè)數(shù)據(jù)采集器，不同大小和形狀的颣節(jié)識(shí)別是根據(jù)蠶絲經(jīng)過檢測(cè)窗口時(shí)的投影面積與空白面積的比值來進(jìn)行判斷的，判斷的依據(jù)是檢測(cè)窗口電壓信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，為了能對(duì)各種品種的蠶絲進(jìn)行準(zhǔn)確的品質(zhì)判斷，系統(tǒng)需要建立品種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過整機(jī)20 組某品種活蛹繅絲數(shù)據(jù)的采集[2]，得到該品種桑蠶的單絲平均直徑數(shù)據(jù)，這一過程設(shè)計(jì)為標(biāo)定功能，并在今后同品種檢測(cè)過程中隨檢測(cè)樣本的數(shù)量累積而更準(zhǔn)確。限于知識(shí)產(chǎn)權(quán)和篇幅限制，程序設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)不在該文詳述。

圖2 活蛹繅絲數(shù)據(jù)采集器功能模塊組成示意圖

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)采用單指令周期（1T）單片機(jī)作為核心，通過特制的紅外線傳感器和高速高精度A/D 轉(zhuǎn)換器件實(shí)現(xiàn)單根蠶絲的颣節(jié)識(shí)別、長(zhǎng)度計(jì)量及纖度測(cè)量等功能。傳感器采用了鋁合金一體化外殼和電路內(nèi)封裝，并進(jìn)行了強(qiáng)化密封防水處理，采集器具有一體化、小型化、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)。以該采集器為核心研發(fā)的“智能化活蛹單繭繅絲蠶品種絲質(zhì)優(yōu)選裝置”項(xiàng)目獲2014年廣西壯族自治區(qū)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)及柳州市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，產(chǎn)品化后已推廣到全國(guó)7 個(gè)省區(qū)蠶品種選育機(jī)構(gòu)，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。該設(shè)計(jì)對(duì)紅外傳感器的精度和一致性的要求較高，紅外器件的安裝受限于模具精度，一致性調(diào)試過程復(fù)雜，效率較低，不利于批量化生產(chǎn)，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工精度等方面有待進(jìn)一步優(yōu)化。