小议挤压机挤压中心监测系统摄像机控制器设计探究
小议挤压机挤压中心监测系统摄像机控制器设计探究 摘要:根据125MN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 VisualC++6・0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:Accordingtothefeaturesofusingmulti-channelUSBinterfacecameratocoll ectimagefor125MNextruderextrusioncentermonitoringsystem,withtheshortcomin gsofUSBinterfacecameraintheindustrialsceneremoteimagecollection,takingVisual C++6・ 0assoftwaredevelopmentplatform,amicroprocessorbasedserialcommuni-cationsm ethodscameracontrolsystemwasdesignedforrealizingtheextrusionmachinemonitor ingcamerasremotelyandorderlyaccesstoupperPC.Theequipmentactualrunningatt hesceneshowsthatthecameracontrolsystemhasmetthedesignrequirementsofcentra lmonitoringsystem. Keywords:serialcommunication;USB;MCU;digitalcamera;VC++ 1 引言125MN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写作论文年,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 升该设备的自动化水平,设计了挤压中心在线监测系统。图1为125MN挤压机三维 模型。并根据设计要求,设计125MN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39m,故图1 125MN 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Fig・1 Three-dimensionalmodelof125MNextruder监测系统的监测 距离应≥39m。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PSD[3],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信及工业现场控制在线监测中具有广泛的 应用。系统以VisualC++6・0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。HtTp://wWW.GWYoo.com 2 控制系统总体方案设计2・1 功能技术指标上位机为微型计算机(PC 机),下位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Fig・2 Systemstructurediagram2・2 摄像机采集信号的远 距离传输系统设计USB2・0规范的USB设备的有效传输距离5m,要实现信号的远 距离传输,一般是远用光纤。根据125MN挤压机设备本体上的摄像机的检测位置 距离挤压机控制室上位机的距离35m,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USB2・0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。2・3 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3・1 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。3・2 功能模块 的硬件实现3・2・1 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,采用ULN2803达林顿管驱动12路5V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。3・2・2 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0・1μF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125MN卧式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125MN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, 存在的不足是当选择某横梁摄像机后,需要等待2~3s,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2~3s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。