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1、1挤压机挤压中心监测系统摄像机控制器 设计摘要:根据 125 MN 挤压机挤压中心监测系统中多路 USB 接口摄像机进行图像采集的特点,结合 USB 接口摄像机在工业现场远程图像采集存在的不足,以 Visual C+60 为软件开发平台,设计了一种基于微处理器的串行通信方式的摄像机控制系统,实现挤压机监测摄像机的远距离有序接入上位机。现场设备实际运行表明该系统达到了中心监测系统的设计要求。关键词:串行通信; USB;单片机;数字摄像机; VC+Abstract:According to the features of using multi-channel USB interface came
2、ra to collect image for 125 MN extruderextrusion center monitoring system, with the shortcomings of USB interface camera in the industrial scene remoteimage collection, taking Visual C+ 60 as software development platform, a microprocessor based serial communi-cations methods camera control system w
3、as designed for realizing the extrusion machine monitoring cameras remotelyand orderly access to upper PC. The equipment actual running at the scene shows that the camera control system hasmet the design requirements of central monitoring system.Keywords:serial communication; USB; MCU; digital camer
4、a; VC+1 引言 125 MN 挤压机是我国目前在运行的最大吨位双动挤压机(水压机)1,设备运行近 40 代写论文年,为我国国防工业及重型机械制造业发挥了巨大的作用。挤压机自投产以来,一直高强度满负荷运转,机体磨损严重,造成挤压机挤压中心不对中。以往在调整挤压中心的过程中,是通过人工反复测量,计算挤压机各部位的偏差,然后通过调整垫片来完成挤压机调整对中,或者通过观察试挤压产品的质量,凭经验进行调整2。这些方法工作量大、检测精度低、缺乏科学性,且不能实现在线测量,难以满足现代化生产的需要。为提高检测效率和检测精度,提升该设备的2自动化水平,设计了挤压中心在线监测系统。图 1 为 125 MN
5、 挤压机三维模型。并根据设计要求,设计 125 MN 挤压机在线监测系统图像采集系统。在图像采集方面存在以下难点。(1)监测距离远:挤压机机体总长达 39 m,故图 1 125 MN 挤压机三维模型 1.前梁 2.挤压容室 3.活动横梁 4.固定横梁 5.穿孔动梁 6.穿孔横梁 7.后梁 Fig1 Three-dimensional model of 125 MN extruder 监测系统的监测距离应39 m。若采用普通 USB 接口的摄像机则难以达到距离要求。(2)监测目标多:包括挤压容室、活动横梁、固定横梁、穿孔动梁和穿孔横梁共计 6 个部件。因此需要 12路图像采集单元才能达到系统检测
6、要求。上述难点中,最大的技术难题在于需要对位移进行远距离、多目标监测。目前利用激光位移非接触测量常用的传感器有CCD 和 PSD3,但由于两者光敏面太小,且距离较远时激光光斑较大并有明显的衍射环出现,故直接用 CCD 和 PSD 作为光敏探测器并不适合。通常上位机都带有两个以上的 USB 接口,所以在监测系统中,采用 USB 接口摄像机采集图像,利用数字图像处理技术,实时计算激光光斑在监测窗口中的位置,并利用相应算法,获得挤压机挤压中心位置。根据挤压机的检测要求,实现在线选择性测量某一横梁的挤压中心,如何有效选择性控制多达 12 路摄像机成为首要解决的问题。串行通信作为一种成熟的技术在计算机通
7、信及工业现场控制在线监测中具有广泛的应用。系统以 Visual C+60 作为软件开发平台,针对 USB 设备的接口特点,在上位机只有两个 USB 接口的情况下,搭建一个基于 RS232 串行通信的挤压机挤压中心在线检测系统摄像机控制系统,对各横梁上的两路摄像机的分时接入上位机,其余横梁上的10 路摄像机此时利用设计的控制系统使处于挂起状态,即处在无效状态,实现对挤压机各横梁挤压中心的分时测量。2 控制系统总体方案设计 21 功能技术指标上位机为微型计算机(PC 机),下位3机为微处理器控制系统。实现功能如下:(1)实现 USB 接口的摄像机采集到的数字信号的远距离传输;(2)将 6 组 12
8、 路摄像机以 USB 总线的形式接入摄像机控制电路,微处理器控制系统能够控制相应的摄像机控制电路,按预定要求将指定横梁上的摄像机接入上位机;(3)微处理器控制系统能够实现与上位机的通信。根据上述的功能技术要求,该系统由以下几个模块组成:微处理器系统控制模块、USB 接口选择控制模块及串口通信模块。主要系统结构框图如图 2 所示。图 2 摄像机控制器系统结构框图 Fig2 System structure diagram22 摄像机采集信号的远距离传输系统设计 USB20 规范的 USB 设备的有效传输距离5 m,要实现信号的远距离传输,一般是远用光纤。根据 125 MN 挤压机设备本体上的摄像
9、机的检测位置距离挤压机控制室上位机的距离35 m,因此必须加装 USB 延长器才能满足实际应用要求。经过实验,采用国内某公司产的 USB20 规范的延长器能够满足现场图像的采集要求。USB 延长器的接收器和发射器之间通过 Cat6 光纤网线一一对应连接。完全实现在距离为 35m 的情况下的图像的流畅采集。23 摄像机微控制电路系统设计分析普通的 USB 接口线定义为:电源、地线和两根数据线。要将 12 路摄像机同时接入控制电路,而有选择的分时选择接入所需要测量的横梁上的两路摄像机。因此,可以将 USB 接口的两根数据线作为数据总线,各横梁上的总的 12路摄像机的两根数据线都分别挂到上位机的两个
10、 USB 接口的数据线上, 12 路摄像机的地线是公用的。微处理器控制电路只需要按上位机指令选择性地控制某路摄像机组的 USB 接口的电源线的同时通断,即可实现该组摄像机在挤压机挤压中心监测系统中的同时接入与断开3 摄像机控制器系统硬件设计 31 系统硬件结构摄像机控制系统硬件设计主要是下位机(微处理器控制部分),分为单片机系统模块(以廉价的 AT89S52 为核心4)、继电器控制驱动电路模块、串口通信电路模4块和 USB 延长器模块。USB 延长器模块国内有厂家专门生产,系统设计中无需再设计。32 功能模块的硬件实现 321 继电器控制驱动电路模块微处理器输出的控制电平信号经反向器放大后,采
11、用 ULN2803 达林顿管驱动 12 路 5 V 小功率继电器3,控制摄像机 USB 接口的电源线端的通断。挤压机挤压中心检测系统要求被测横梁上的两路摄像机同时接入上位机,因此,只需要 6 个微处理器的控制信号即可实现控制 6 个摄像机组的 12 路摄像机。为防止继电器工作时产生的反电动势冲击 USB 接口造成上位机死机,在继电器线圈的两端反接一小功率二极管来消除。实现硬件电路如图 3 所示。322 串口通信电路模块异步串口通信的AT89S52 与上位机实现串口通信比较方便。采用 MAX232 实现电平转换,其连线采用最简单的零调制三线经济型5。具体电路如图5 摄像机控制器系统调试挤压机上位
12、机兼安装有整个挤压机的 wincc 监控控制软件,因此上位机的稳定性尤为重要。为保证摄像机控制器系统运行的可靠性与安全性,在多次试验后,在摄像机控制器系统硬件设计时充分考虑了抗干扰隔离措施,主要是:(1)加强下位机中摄像机 USB 接口电路与上位机 USB 接口的隔离,防止电压浪涌造成上位机死机,数据线连接均采用电感隔离;(2)电路中所涉及到的芯片的Vcc 和 GND 之间均接有一个 01F 去耦电容,并采用磁珠隔离;(3)单片机的电源与达林顿管的电源采用电感隔离,实行分开供电。6 结论通过以上抗干扰措施处理,按照中心监测系统要求实际制造摄像机控制器系统样机,经国内某公司的 125 MN 卧式
13、挤压机的挤压中心监测系统现场安装试用,系统已经稳定运行 4 个月,实现了 12 路, 6 组摄像机的有序接入上位机。满足了 125 MN 卧式挤压机挤压中心监测系统预期设计要求。在实际的应用过程中,存5在的不足是当选择某横梁摄像机后,需要等待 23 s,摄像机才能正常工作。分析原因是在频繁切换摄像机的过程中,上位机需要 23 s 的识别响应摄像机时间。这造成在中心监测系统启动阶段的图像采集有延迟,对于要求实时监测挤压机的挤压中心是不利的。但在摄像机启动后并不影响挤压中心的测量,这个问题可在以后设备技术升级中换用高速摄像机予以弥补。参考文献: 1 王自涛.中国铝挤压技术及装备J.有色金属, 20
14、05,(7): 21-25. 2 曹国华,苏成志,徐洪吉.基于位置敏感探测器和激光技术对大型轴系中心线检测方法的研究J.兵工学报, 2006,27 (4): 765-768. 3 王庆有. CCD 应用技术及应用M.北京:电子工业出版社,1992. 4 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.单片机实践与应用M.北京:清华大学出版社, 2003. 5 李河清,侯志祥.基于串行通信的步进电机小型集散控制系统J.计算机工程, 2007, 33 (10): 258-260. 6 胡伟,季晓衡.单片机 C 程序设计及应用实例M.北京:人民邮电出版社, 2004. 7 孙鑫,余安萍. VC+深入详解M.北京:电子工业出版社, 2007. 8 邱红兵,韩峰. Visual C+在异步串行通行控制中的应用J.计算机自动测量与控制, 1999, 7 (4): 47-88.150 锻 压 技 术
