一种光电式烟支在线检测系统的设计
文章编号：1007—3973（2012）009—024—02
1 引言
在烟支的卷接过程中，由于多种因素的影响，会出现空头和坏滤嘴的问题，为了确保香烟的出厂品质，设计一套合理、可靠的烟支检测系统作为质量控制部件是不可缺少的。现在主要有以下几种烟支检测方式：（1）基于PLC的检测系统①；（2）基于单片机的检测系统②；（3）基于DSP的检测系统③。基于PLC的检测系统使用的比较早，但随着检测系统对速度和精度要求的提高，偏于控制的PLC越来越不能满足要求，逐渐被淘汰。基于单片机的检测系统，电路板多、结构复杂，而且其运行速度和数据处理能力不能满足要求。DSP数据处理能力非常强大，但是DSP的程序一旦确定就不能更改，使得功能的拓展比较困难。所以这一问题还需要我们的进一步研究。
本系统采用虚拟仪器技术和PXI总线技术进行设计，实现各路信号的检测。由于是数字化的测量，质量检测的精度得到保证；同时模块化的设计方法，使得系统具有易安装、易调试、易维修、功能拓展方便的特点。使用LabVIEW设计显示界面，实现数据的读取、显示、处理、存储和一些参数的设定。
2 系统的结构组成
设计的基于LabVIEW④的烟支检测系统主要完成接装机内外两排烟支空头和坏滤嘴模拟信号的检测、处理和显示。
系统采用红外传感器进行数据的获取。红外传感器把变化的光信号变换成变化的电信号，再经过调理电路的调理，输入到数据采集卡，然后再转入计算机。输入到计算机的信号经过分析与比较，判断出哪些烟是问题烟支，然后驱动内外排烟支剔除阀对问题烟支进行剔除。同时通过LabVIEW对这些数据进行统计、存储和显示。系统结构布置图如图1所示。
3 硬件选型设计
本系统的硬件部分包括红外光电传感器、信号调理模块、PXI数据采集卡和计算机。外部接口设备承担信号的输入、采集、放大、模数转换的任务。VISA作为应用程序接口，可以对USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太网系统进行配置、编程和调试，也就是对这些接口设备进行驱动。利用LabVIEW的VISA库的驱动程序就可以对各种总线的接口设备进行驱动了。
检测系统采用的传感器都是红外光电传感器。因为检测方式的不同，针对不同的检测项目，本系统选择了不同形式的红外光电检测器。空头检测采用漫反射式的红外传感器，坏滤嘴采用反射式红外传感器。传感器出来的信号经过信号调理模块对其进行滤波、放大等处理转换成采集卡可以接收的范围，再输送到数据采集卡。
典型的测量仪器总线有三种：PCI、VXI和PXI。基于测量精度和经济适用性能的考虑，本系统选择了PXI总线。系统采用PXI8501数据采集卡，对烟支内外排的模拟量数据进行采集。该数据采集卡具有16位的AD精度，800KS/s采样频率，差分8路同步模拟量输入，256MB的DDR2的存储器深度，每通道存储深度为32MB。卷烟机生产烟支的速度一般在7000—12000支/分钟的范围内，PXI数据采集卡很好的满足要求。
机箱选择PXIS—2506，控制器选择的是PXI—8186高级控制器。PXI—8186控制器和PXI—8501数据采集卡都插到3U、6槽的PXIS—2506便携式机箱。PXIS—2506机箱具有5个PXI外围卡槽，5个卡槽均提供内部10MHz参考时钟，以及星形触发、PXI触发总线和PXI局域总线。
4 软件设计
本系统采用美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW 2010开发了软件。LabVIEW是一种图形化的编程语言，即我们所说的G语言，产生的程序为框图的形式，为实现仪器编程和构建数据采集系统提供了便捷的途径。
本检测系统软件部分包括主程序模块、数据采集模块、数据处理模块、数据保存模块、数据显示模块、错误处理模块和参数设置模块。检测系统软件的主程序采用状态机结构，完成任务的调度，实现数据采集、数据存储、数据显示等几个模块之间的协调和调度。使用功能性全局变量，以便于各个模块对数据的调用。图2是软件模块图。
主程序模块完成采集任务初始化和在各个模块之间根据设定进行切换，以达到合理调配任务，根据任务的优先级来顺次完成任务。数据采集模块在整个软件中处于核心地位，它利用DAQ函数连续地采集数据，并把这些数据存放到功能性全局变量中，以便于数据处理模块、数据显示模块、数据储存模块等调用这些数据。数据处理模块在整个软件中起着至关重要的作用，它对输入的数据进行分析比较，判断问题烟支，然后向剔除装置发送剔除信号，并将数据进行统计，送到存储模块和显示模块。数据处理模块的部分程序见图3所示。
显示模块的任务是实时的向用户显示烟支检测的情况，包括缺陷烟支的缺陷种类、数量、比例，还有各个通道数据的波形等。参数设置模块主要对烟支剔废度进行设置。存储模块可根据用户的需求，将烟支缺陷情况、各通道波形等数据进行保存，以便于离线处理和分析。错误处理模块的任务是检测出现的错误并判断原因，切除有故障的数据采集卡，并在显示模块上对用户进行提醒。如图4所示是系统的用户界面。
5 结束语
本系统是以LabVIEW为核心，采用PXI技术和红外传感器的烟支质量光电检测系统。系统工作稳定，对烟支的空头和坏滤嘴数据进行的检测，并使用LabVIEW制作界面，实现数据的显示、存储和参数设定等。
基于LabVIEW的烟支质量光电检测系统运行稳定，能对烟支光电检测信号进行快速、精确的实时检测。系统克服了单片机系统运行速度和数据处理能力不足的问题，并且系统软件灵活、功能拓展性强。
注释：
① 任炜，冯丽辉，许胜善.烟支松头装置的研发与实现[J].重庆工学院学报，2007，21（10）：97—99.
② 孙军.单片机在烟支质量测控装置中的应用[J].沈阳航空工业学院学报，2004，21（1）：65—66.
③ 杜劲松，高洁.基于DSP的烟支在线检测及调整系统[J].DSP开发与应用，2007，21（8—2）：167—168.
④ 刘胜，张兰勇，章佳荣，等.LabVIEW2009程序设计[M].北京：电子工业出版社，2010.