基于STM32驱动线阵CCD的矿浆粒度检测系统设计

刘玉娟，郝成，刘旭，吕晶

（华北理工大学电气工程学院，河北唐山063009）

基于STM32驱动线阵CCD的矿浆粒度检测系统设计

刘玉娟，郝成，刘旭，吕晶

（华北理工大学电气工程学院，河北唐山063009）

双色激光；STM32；CCD；仿真

搭建了双色激光测粒仪的试验平台。介绍了一种基于STM32驱动线阵CCD探测器的系统设计，应用CCD接收散射光能量并进行处理。在搭建好试验平台以及系统硬件设计的基础上，对1～100μm的矿浆样品进行试验测试，并对试验结果进行了分析及仿真。

一直以来，矿浆粒度检测问题得到研究人员的密切关注。实现对矿浆粒度的在线检测可以提高资源利用率，减少尾矿排放，减轻污染，对环境保护具有更加重要的意义。

该项研究提出一种ARM驱动方式，以STM32作为主控芯片（该处理器高速、实时且成本低，片内资源丰富）对CCD产生稳定、精确、高速的驱动时序，并带有通信功能，且能与上位机的USB通信。而CCD，即电荷耦合器件，在图像传感和非接触测量等领域中被广泛应用，它具有尺寸小、精度高、寿命长、功耗低等多重优点［1，2］。因此在CCD应用技术中，需要选择一种合适可靠的时序驱动。时序驱动的好坏将直接影响CCD的转换效率、信噪比等。通常情况下，驱动CCD设计一共有4种，即IC驱动、单片机驱动、EPROM驱动及PLD驱动，以上几种方式存在多种缺点，如逻辑设计复杂、调试困难、驱动频率低、柔性较差等［3］。而该项研究采用的ARM驱动方式，将解决以上不足。

1 试验平台

该项研究所搭建的双色激光测粒仪的试验平台是在分析了以往的单波长测粒仪存在的物理干扰问题以及运算量大的问题的基础上所设计出来的，图1是双色激光测粒仪的试验平台。

图1 双波长激光测粒仪试验平台

其中1为发射单元红外半导体激光二极管模组，2为发射单元红外半导体激光二极管模组，3为棱镜，4为样品池，5为傅立叶成像透镜，属于光学系统，6为接收单元线阵CCD元件及其附属电路，7为信号处理和控制单元单片机及其附属电路。

透光材料制成的样品池经均化、去除气泡后，使矿浆颗粒流自由流过测量区域。入射光束射向被测颗粒，傅里叶透镜接收经过颗粒散射后的光线并成像，其图像是圆斑和圆环，线阵CCD元件感光面位于像平面，其感光点阵沿径向分布，CCD将径向的光强信号转换为电压信号。信号处理单元和控制单元由单片机及其附属电路组成，负责对电压信号进行采集、放大和模数转换。对数据进行反演运算，最后粒度结果可由单片机及其附属的简单人机接口输出，或由串口输出到仿真计算机系统，由打印机输出粒度测量报告。

2 系统框架

该项研究所设计的采集与计算模块采用STM32F103板，主要包括驱动信号产生模块，数据处理模块和液晶显示模块。系统最重要的硬件设计是光电探测器，应用光电探测器接收颗粒散射光信号，采集到的颗粒光散射信号经过后续的A／D转换成电信号，再对电信号进行处理，最终得出粒度分布。图2为控制系统的结构框图。

图2 控制系统结构框图

3 主要硬件电路图设计

本系统采用基于线阵CCD探测器（选用TOSHIBA公司的TCD1208AP线阵CCD传感器，该传感器有灵敏度高、暗电流低的特点）的激光测粒仪的设计方案，应用单片机（选用ST公司生产的基于ARm32位的cortex－M3CPU的STM32微处理器，此芯片最高可达72MHz的工作频率，并行LCD接口，兼容8080／6800的模式）驱动法，其主要驱动过程是：微处理器产生3．3V的驱动信号，经电平转换（选用74LS04P芯片）电路转换成5V的驱动信号驱动CCD传感器。由于STM32集成芯片内A／D转换器的外接参考电压为3．3 V，因此CCD输出最高为5V的电压经过差分放大器（选用AD公司的AD8031，它是一款低功耗，高速的单电源电压反馈性放大器）降压，再接入STM32单片机的A／D转换接口采样通道进行采样转换。STM32采用液晶控制器和触摸控制器进而为触控液晶显示器提供驱动信号，完成系统启停控制，显示采样结果等人机交互工作［4］，3．2寸的液晶屏驱动电路为SSD1289，触摸屏的控制电路为ADS7843。STM32与液晶屏采用8080并行数据接口，即D0－D7，D10－D17。

由以上所分析的系统框架以及STM32单片机驱动CCD的整体过程，得出线阵CCD驱动硬件整体电路图，如图3所示。

图3 线阵CCD驱动硬件电路

而STM32开发板作为其设计核心，它所用的是5V电源电压供电，可选用USB口供电，或者选择电源适配器通过XS10供电，其电源电路图如图4所示。

图4 电源电路图

4 主要软件流程图

软件主要实现流程包括主程序与初始化模块，以及中断管理、调用A／D转换模块、信号处理模块以及对所用变量进行定义和整个程序框架的构建等。初始化模块主要是包括对单片机STM32的初始化部分和CCD的初始化。图5和图6分别是初始化流程图和主程序流程图。

图5 主程序流程图

图6 初始化流程图

另外其实现过程最重要的是对CCD驱动时序的产生，该项研究选用的TCD1208AP有四路驱动信号，它们分别为：转移脉冲SH、复位脉冲RS、时钟脉冲Φ1、Φ2。OS和DOS分别为输出信号和补偿输出信号，补偿输出信号是为了有效地减小输出信号所产生的复位噪声。CCD传感器对驱动信号的频率有严格的要求。图7是TCD1208AP驱动信号时序图。

图7 TCD1208AP驱动信号时序图

最终经过上位机的传出，上位机软件包括USB设备驱动程序和图像采集应用程序。其系统流程图如图8所示。

图8 上位机软件流程图

5 算法及试验仿真

该项目所采用的算法为反演算法，它是一种求解方程的方法，也是一种逆运算方法，适用于粒度分布的求解。大致可以分为两大类，即约束算法和非约束算法。该项目采用约束算法，即先假定颗粒满足特定的分布函数（Rosin－Rammler分布），按夫朗和费衍射理论，光电探测器所探测到的前向光强分布为：

一般求解颗粒粒度分布常采用重量频率W（D）表示，有关系式

ρ为粒子密度，则（1）式变为

则对于全部尺寸的粒子，满足

根据设计的装置结构，当照射的激光波长一定时，很容易检测出最大光强I （Sm）及其对应的Sm， I （Sm）的选取原则是：信噪比高，稳定且信号强度随粒度变化的幅度大，即对应的点Sm。

将其带入（2）上式，则有

分别用不同波长的激光照射，则得

根据P．罗辛（Rosin）－E．拉姆勒尔（Rammler）的理论，破碎机、球磨机、分级机的产物粒度特性符合R－R分布函数

式中：W（D）为小于D尺寸的颗粒重量百分含量；D为颗粒的大小范围尺寸常数；n为代表被测物料的特征常数。由此可见，只要确定b、n，就可确定颗粒分布。代入（3）和（4）得

解二元超越方程，可得b、n，则可得粒度分布。

试验中采取850nm和1 064nm 2种波长的红外半导体激光器，由激光器发出的光束经针孔滤波及扩束器后成为一个直径为10mm的光束。样品池选用玻璃材料，里面装有待测矿浆，接收透镜即傅里叶透镜使由各个颗粒散射出来的相同方向的聚焦到焦平面上，他的焦距选取为100mm，孔径选取为30mm。颗粒粒度范围在1～100μm以内。用筛网把1～21μm、21～38μm、38～45μm、45～53μm、53～90μm、90～100μm的矿粉分堆并称其重量大小，并取使得各部分重量分布满足R－R分布的矿粉，然后倒入盛有水的样品池中，最后利用线阵型CCD采集光散射能量。其中用到的筛网目数分别是150目、170目、270目、325目、400目和650目。筛网目数对照表如表1所示。

表1 筛网目数对照表

经过采集得到光强粒度分布图如图9所示，并通过多次检测反演算得到对应的粒度分布曲线图，如图10所示。

图9 光强值分布图

通过对矿浆多次检测，将采集到的数据处理并反演后得到粒度分布曲线如图10所示。

图10 粒度分布曲线图

6 结论

通过对STM32单片机以及线阵CCD的学习，设计了STM32单片机驱动CCD的电路，实现了对矿浆粒度的检测以及对散射光能量的处理，并对以往单波长的检测仪进行了改进，搭建了双色激光测粒仪的试验平台，为矿浆的粒度检测提供了方便可靠的方法。

［1］ 李彩荣．基于CCD技术的激光粒度仪研究［D］．西安：西安工业大学，2012．

［2］ 王斌波，汪涛．基于STM32的线阵CCD图像采集系统［J］．电子世界．2013，32（08）：22－23．

［3］ 周根荣，姜平．一种基于高速超微型单片机的CCD驱动电路设计［J］．电子技术应用．2006，11（03）：105－107．

［4］ 李亚威，陆永华，刘斌．STM32嵌入式线阵CCD数据采集系统研究［J］．机械工程师．2015，（04）：7－10．

Design of Ore Pulp Particle Size Detection System Based on STM32 Driving Linear Array CCD

LIU Yu－juan，HAO Cheng，LIU Xu，LV Jing
（College Electrical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China）

two－color laser；STM32；CCD；simulation

The experimental platform of a two－color laser particle size measuring instrument was set up．A system design based on STM32driving linear array CCD detector was introduced．The scattered light energy was received and it was processed．On the basis of setting up an experimental platform and hardware design of the system，the pulp samples with size distribution of 1－100μm were tested and the experimental results were analyzed and simulated．

TP274＋．5

A

2095－2716（2016）04－0075－07

2016－04－11

2016－07－14

华北理工大学横向科研项目（31317801）。