基于LabVIEW的雌雄蚕茧自动分检机测控系统

方根根，张世庆，蔡健荣，杨 明，杨 川

（1．江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013;2．江苏大学食品与生物工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引言

中国是世界上最大的蚕丝生产国和供应国，蚕丝的产量和生丝出口量分别占世界的70%和90%，中国丝绸贸易量占世界蚕丝贸易总量的80%以上［1］。同一蚕品种的雄蚕丝与雌蚕丝相比，雄蚕丝具有茧丝纤度细、净度优、耐磨擦、生丝等级高、弹性好等优点。目前，在蚕丝的生产过程中，采用雌雄茧混合干燥，缫丝的方法。这种混合缫丝的方法不能生产6A级高品位生丝［2］。因此，为了得到高品位的生丝，必须对雌雄蚕茧进行分检。

一些学者采用了无损检测的方法对雌雄蚕茧的分检进行了研究。苏州大学的虞晓华教授研究了一种荧光法判断蚕茧的雌雄，把蚕茧放置在荧光灯下，雄蚕茧将发出黄光，雌蚕茧将发出紫光［3］。但是，这种方法针对的是特定品种的蚕茧，一般的在荧光灯下不会发出黄光或者紫光。因此，这种方法仅局限于检测特定品种的蚕茧。上海科技大学的刘聪等人研究了使用核磁共振 （MIR）的方法识别雌雄蚕茧［4］。MRI是一种新的无损检测雌雄蚕茧的方法。但这种方法实用的MRI设备非常昂贵，限制了这种方法的推广。江苏大学的李玉品等人研究了利用近红外光谱分析的方法识蚕茧的雌雄［5］。但这种方法要把蚕茧剥开，识别后的蚕茧不能用于蚕丝生产。雌蚕茧的质量要比雄蚕茧重，雌蚕茧和雄蚕茧的质量都是遵从正态分布，大部分雌蚕茧和雄蚕茧分布在不同的质量区间，因此，可以利用检测质量的方法来分检雌雄蚕茧。

1 预实验

用镇江蚕业研究所633个蚕茧做了预实验。使用电子天平检测这些蚕茧的质量并记录下来，然后剥开蚕茧，根据蚕茧的生理差异来判断蚕茧的性别。实验做完以后使用Matlab分别做出了雌蚕茧和雄蚕茧的质量分布直方图如图1所示。从图中可以看到，雌蚕茧和雄蚕茧的质量分布均遵从正态分布。82．3%的雄蚕茧的质量主要分布于1．1～1．4 g，78．7%的雌蚕茧的质量主要分布于 1．5～1．9 g。因此，通过检测质量的方法来分检雌雄蚕茧是可行的。如果可以快速地检测出蚕茧的质量，那么就可以知道蚕茧的性别。为此，依据快速动态称重的方法，基于LabVIEW开发环境设计了一种雌雄蚕茧自动分检装置。

图1 雌蚕茧和雄蚕茧的质量分布直方图Fig 1 Histogram of the male and female cocoons’mass

2 雌雄蚕茧自动分检机的工作原理

雌雄蚕茧自动分检机是依据蚕茧的不同质量进行雌雄分检。工作时，蚕茧经过上料装置以后从一定的高度落到称重平台上，在称重平台上放置有缓冲垫，保证蚕茧可以很快地静止在称重平台上。在蚕茧冲击称重平台的瞬间，称重传感器的输出电压会突然变大，依据这个变化信号就可以判断是否有蚕茧落到称重平台上。当检测到有蚕茧落到称重平台上之后，就可以经过短暂的延时，检测蚕茧静止在称重平台时的信号，得到蚕茧的质量，然后依据雌雄蚕茧分布在不同的质量区间，就可以知道的性别，驱动相应的电磁阀工作把蚕茧吹离称重平台就可以实现分检。

3 测控系统的硬件组成

该系统使用个人电脑加数据采集控制卡的硬件结构，以LabVIEW为软件平台，由称重传感器和称重平台、信号调理电路、数据采集控制卡、电磁阀驱动电路组成。

称重传感器的精度和稳定性对系统的检测结果有很大的影响，在进行设计的时候选用了高精度电阻应变式称重传感器。该传感器的测量区间是0．05～100 g，灵敏度是0．65 mV/V。传感器输出的信号比较微弱，因此，需要使用信号调理电路对传感输出的信号进行放大和滤波。信号调理电路包括一个二级放大电路和一个低通滤波电路。第一级放大电路选用了INA114仪用放大器。INA114具有低成本，高精度的特点，内部集成了一个三运放高共模抑制比放大电路，适用于处理称重信号。二级放大电路使用了OP07运算放大器，OP07具有输入电压偏移低，高开环增益的特点适用于二级放大电路。信号放大电路如图2所示。在设计中使用了一个低通滤波器来减少外界信号的干扰和噪音。

数据采集控制卡选用的美国Measurement Computing公司的1208FS。该数据采集卡是USB接口的数据采集卡，集成了A/D转换，D/A转换，数字量输入和输出的功能。模拟两输入通道可以进行4路差分模拟信号输入或者8路单端模拟信号输入。配置为差分信号输入时，每一个通道具有12位的精度;单端信号输入时，每一个通道具有11位的精度，可以满足快速采样的要求。同时该采集卡具有数字IO输出功能可以在蚕茧分检的过程中，发出控制电磁发的开闭，完成分检动作。

图2 信号放大电路Fig 2 Circuit for signal amplification

在系统中，使用2个电磁阀来分检蚕茧。当检测到蚕茧质量，判断出蚕茧的雌雄之后。对应的电磁阀执行动作，完成蚕茧的分检。由于数据采集控制卡1208FS发出的控制信号比较微弱，因此，设计了电磁阀驱动电路。

4 测控系统的软件设计

数据采集控制控制卡1208FS提供了数据采集相关的用户子模块（VI）。在进行数据采集和控制的时候主要用到的子模块如表1所示。

表1 LabVIEW程序中主要用到的子模块Tab 1 Sub-module used in LabVIEW program

软件主要包括参数配置模块、数据采集模块、数据触发模块、数据处理模块，信号输出模块和数据保存模块。

参数配置模块用来设置采集卡板号、使用的通道、采样点数、采样速率、采样模式。数据采集模块主要包括GetSatus．vi和ToEng．vi，把幕后运行的状态转换为以电压为单位的测量数据数组。数据触发模块设定当电压上升达到一定的阈值之后，返回测量结果，当采集的电压达不到设定的阈值时，不返回结果。在设计实验装置的时候，蚕茧从一定的高度落到称重平台上，这个过程中采集到的电压数据会有比较大的变化。信号超过设定的阈值，表明有蚕茧落到称重平台上，因此，触发之后采集到的信号可以反映蚕茧的质量。

数据处理模块的作用就是对采集到的触发以后的信号进行分析处理得到可以蚕茧的质量。通过大量的预实验，采集的触发之后200 ms内的称重信号的平均值，可以比较准确地反映出蚕茧的质量。根据之前的预实验，当蚕茧的质量大于1．5 g时，认为该蚕茧是雌蚕茧;蚕茧的质量小于1．5 g时，认为该蚕茧是雄蚕茧。在判断蚕茧的雌雄之后，LabVIEW向数据采集控制卡的IO引脚发出电压信号，控制相应的电磁阀执行动作，完成分检。

数据保存模块使用Write To Spreadsheet File．vi（写入电子表格）把数据保存到Excel文件中，方便进行进一步的数据处理和数据查询等工作。

信号检测图表可以监测称重传感的电压变化，进而知道系统的运行状态。蚕茧的质量和性别信息也直观的显示出来，人机界面友好。

5 实验结果

使用开发的实验装置对实际的新鲜蚕茧进行了实验，首先使用电子天平称量蚕茧的质量，然后使用设计的系统称量蚕茧的质量，记录实验的数据如表2所示。通过该表格可以看出:该系统的实验误差不超过3．5%，实现了对蚕茧质量的精确称量，可以满足实际应用的要求。

表2 实验结果列表Tab 2 List of experimental results

6 结论

本文设计的基于LabVIEW的雌雄蚕茧自动分检机测控系统，利用动态称重的方法来分检雌雄蚕茧，通过对软硬件的设计和完善达到了比较好的检测精度，对实现雌雄蚕茧的无损分检具有重要的意义。

［1］ 孟智启．雄蚕产业化的战略思考［J］．蚕桑通报，2001，32（2）:1－6．

［2］ 虞晓华，刘毅飞．雌雄蚕茧茧质和丝质的差异性分析［J］．纺织学报，2005，26（4）:36 －38．

［3］ 虞晓华．家蚕荧光色的遗传研究［J］．蚕业科学，1997，23（3）:147－151．

［4］ Liu Cong，Ren Zhaohui，Wang Hongzhi，et al．Analysis on gender of silkworms by MRI technology［C］∥Proc of IEEE Symp on Biomedical Engineering and Informatics，BMEI 2008，2008:8 －12．

［5］ 李玉品，陈 斌，颜 辉，等．近红外光谱法在蚕茧性别鉴定上的应用［J］．江苏农业科学，2009（1）:237 －239．