[摘要] 本文主要介绍应用TI公司的高性能DSP芯片--TMS320F2812来实现对光电色选系统的开发。文中着重描述了TMS320F2812的高性能AD采集转换功能，并在此基础上实现了色选控制系统的主体功能。文中还介绍了TMS320F2812的特点、光电色选系统的控制原理、控制系统的硬件组成以及系统软件的实现。
[关键字] 数字信号处理器 TMS320F2812 光电色选系统 AD采样
[Abstract] This paper presents the Photoelectric Color Picker system based on DSP chip-- TMS320F2812 of TI. The high performance ADC function of TMS320F2812 implemented the main control function of Photoelectric Color Picker system, which is mainly introduced in the paper. Then the characteristic of TMS320F2812 is introduced and the control principle of Photoelectric Color Picker system is described. Furthermore, the hardware and software of system are specified.
[Key words] digital signal processor, TMS320F2812, Photoelectric Color Picker system, ADC
1、 引言
颜色分选系统是一种新型的农副产品加工机器，利用农副产品的光学特性和光电原理，通过电脑分析物体外表颜色，不仅能够将大米、豆类、花生、食品等产品中的杂质（如石头、沙子、玻璃、金属等）干净地去除，还能将那些对人体极具危害的黄斑、霉变、虫蛀等有害物质予以去除，从而提高粮食和食品的品质。[4]颜色分选系统已经广泛用于表面质量的判别（表面质量的判别是指利用光反射特性，按照表皮颜色差异分选、按照有无外表损伤分选等）和内部质量的判别（内部质量的判别是指利用光透射特性，按照成熟度差异分选、按照内部损伤差异分选、按照内部品质差异分选等）等情况。用色选机取代人工手选，排除人为因素的干扰，既提高了生产效率（如分选精度、一致性等），又降低了生产费用。无论从经济学观点或从生态学观点考虑，色选机的应用都是极为有利和有效的。为了实现色选系统在智能化，数字化，高速和高精度上的功能要求，本系统采用了TI公司新一代用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。
2、光电色选系统的控制原理
色选系统的机械部分中有若干个狭长的通道，由平行、与水平面倾斜的狭长的不锈钢V形管（图中的2）组成,作用就是保证待选样品（图中的G）以一定速度展示在光电探测器的监测区内，以达到最高的异色粒子剔除率和产量。光电箱由高稳定度照明光源（如图中的6a,6b,7a,7b）、光电传感器（图中的21）、前置放大器及一套基色反光板调整机构（图中的4）等组成。光源用于不同色选目的照明，光电传感器和前置信号放大器与样品通道相对应，承担各通道异粒子信号的采集和前置放大。基色板调整机构的调整可使光电探测器捕捉到基准电平与样品基准色信号相一致，从而使不同于样品基色的异色粒子得以选出。即当物料经由振动样品系统均匀地通过斜槽通道进入选别区域时，光电传感器测得反射光和投射的光量，并与基准色板反射光量比较，将其差值信号放大处理，当信号大于预定值时，驱动喷射系统(图中的25)用压缩空气吹出异色样品，从而达到色选的目的。
3、 系统硬件电路设计
由系统的原理框图分析，系统的硬件部分主要由四大模块组成：前级预处理电路模块、A/D采样模块(DSP片内)、DSP的信号处理和存储控制模块、通信模块（上位机和DSP之间）。由于本系统对实时性和可靠性要求较高，而整个系统需要完成数据采集、A/D转换、数据比较分析、实时过程控制以及数据通讯和显示等任务，如果只采用一枚DSP芯片进行数据采集处理势必会影响到系统的实时性和控制精度，为此，本系统采用双DSP芯片，充分利用DSP的高速数据采样处理能力，分别对样品的正反面的瞬态光辐射信号进行实时采样，从而保证系统的高度实时性和精确控制性。
3.1 TMS320F2812芯片的特点
TMS320F2812是美国TI公司最新研制的2000系列数字信号处理器，是面向电机控制、工业自动化的第一款带片内Flash、工作频率达到150 MHz的32位DSP。它采用经典哈佛总线结构，利用多总线在存储器、外围模块和CPU之间转换数据，这种多总线结构使得 它可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据，同时它采用了指令流水线技术，保证信号处理的快速性和实时性。[1]其主要特点有：
（1）采用高性能静态CMOS技术，工作频率达到150 MHz，使得指令周期缩短到6.67ns，并采用32位定点操作，大大提高了处理能力。
（2）低功耗 其内核工作电压为1.8V，I/O口输出电压为3.3V。
（3）16通道的12位模数转换器（ADC）含两路采样保持器，一个转换单元，可实现双通道同步采样，最小转换时间为80ns。
（4）片内有高达128K的FLASH，18K的SARAM和4K的ROM，可外扩的储存器容量总共可达1M。
（5）同时还集成有多种串行接口：完全符合RS232标准的双通道串行接口、CAN总线模块、McBSP接口和SPI接口，这些都充分保证了通信设计的方便。[2]
3.2前级预处理电路
3.2.1 光电转换
由于空间瞬态光辐射信号速度快、动态范围大，故对光辐射探测器要求较高。本系统采用XX公司的硅光色彩传感器，它具备灵敏度高、动态范围大、时间响应快和覆盖范围大等特性，并采用了大功率蓝色LED。其与色彩传感器组成一套该光电转换系统，光电传感器将光信号转换成电压信号。
当待选样品经过光电检测系统时，因为其遮挡了蓝色LED产生的光，导致色彩传感器在采集此时光信号时输出不同于平常的电压信号，不同颜色和形状的样品所产生的电压信号是不同的。本系统主要就是通过判断这些输出的电压信号，来进行样品的色选的。
3.2.2 背景扣除
外部光辐射能量比工作瞬态光辐射信号能量高几个数量级。对于系统而言，由于外部光的影响，目标信号十分微弱，大多掩埋在强噪声之中。[5]因此必须对强背景信号进行扣除处理，提取出有用目标事件瞬态信号。
在信号自动处理和分析技术中，强背景下弱信号的提取是一个难点。本文根据背景信号变化缓慢而目标信号变化快速的特点，采用高通滤波器对信号进行背景扣除。
高通滤波器在技术实现上可以采用数字电路，也可以采用模拟电路。为简化电路、减轻后续处理电路压力，本系统采用电容、电阻等构建一个模拟高通滤波器进行背景扣除.选择适当电阻、电容值即可实现对目标信号的背景扣除。
另外，为了做到最低限度受背景的干扰，本系统加了一些辅助设备，这些设备主要包括：黑色灯盒，它主要是为了消除外界光干扰；平凸镜，其功能主要是采集平行光，因为色彩传感器在平行光照射下，信号最稳定。
3.2.3 信号放大
光电传感器输出的电压信号幅值较小且转换持续时间较短，对于这样的信号DSP是不能处理的，为了能够满足系统的要求，必须对光电传感器输出信号进行滤波放大处理。如图4所示，R6与C2、R7与C3构成两个一阶低通滤波器；POT1提供一个参考电压，作为光电传感器输出的基准电压，构成差分电路以去除CCD输出电压中的共模信号；放大器AR2的放大倍数可以由POT2调节，以使信号放大到合适的倍数；为了方便处理，最后一级使用反相放大电路，放大倍数为-1。[4]
3.3 A/D处理模块
3.3.1 DSP A/D采集
本系统使用的是TMS320F2812自带的16通道12位模数转换器（ADC），色彩传感器将采集到的光信号转换成电压信号输入给TMS320F2812芯片的A/D接口，两枚TMS320F2812芯片同时采样到待选样品的正反面的电压信号。不同的样品的大小和长度，A/D对它们的采样次数也是不一样的，实验中我们使用的样品为大米，米粒的长度为6mm, TMS320F2812的16个A/D转换通道同时对正在经过光电系统的16粒大米，进行扫描检测，假设米粒经过光电系统的速度为4m/s，根据计算我们可以得到每个A/D口对通过其管道的米粒的扫描次数约为1000次，相连两次扫描线之间的区域构成了此处的色彩带，通过比较此处输入电压，判断该处的颜色灰度。
3.3.2 预值比较触发
对于DSP芯片采集到A/D输入信号，必需经过数字信号处理，然后才能输出相应的控制信号。对于本系统而言，我们需要将采样信号参数与预定参数进行比较，进而比较出样品的好坏，其主要原理是：
首先，我们根据典型样品的采样参数和不合格样品的采样采样参数，分别设定上限预值和下限预值，并将这二个参数写入DSP片外FLASH芯片中。其次，当两枚DSP在处理A/D采样信号时，分别将采样参数与FLASH芯片中的上下预值进行比较，如果两个采样参数都在上下预值范围之内，说明该样品为合格产品，否则DSP产生控制信号，开启喷射系统将样品吹出过道。为了实现上述功能我们增加了一个逻辑与门，用来实现对两路DSP控制信号的综合，进而实现了对喷射系统的控制。
3.4 空气阀驱动电路
喷射系统共包括16个阀门（每4路为1组），为了使喷射系统对不合格样品的及时喷除，两枚DSP主控芯片必需同时控制16个空气阀，具体分配是两路DSP控制信号通过一个逻辑与门锁存输出后，再控制驱动空气阀。另外，阀门驱动的驱动时间及间隔时间可设置。整个驱动电路主要由二个增强型的MOS管构成，分别控制空气阀的保持和吸合状态。
3.5 通信模块电路
系统与上位机的通信是利用TMS320F2812中的异步串行通信接口（SCI）来完成的，并使用RS-232通信协议。通过上位机控制，我们可以控制调节系统工作过程中的上下预值和空气阀的驱动时间等参数。电路中我们采用了符合RS-232标准的驱动芯片MAX3223进行串行通信。MAX3223芯片功耗低，集成度高，3.3V供电，无须加电平转换电路。为了满足系统的升级需要，我们预留了eCAN功能，因为eCAN无论在通信速度还是效率上都要远远好于RS-232通信。
4、 系统软件设计
光电色选系统中每个子系统都是复杂的控制系统，集成后形成的整体系统更是一个较为复杂的控制系统，软件系统是其核心部分。光电色选系统的软件设计主要包括4部分：初始化模块，系统控制模块，ADC中断模块和通信模块。各个模块由主控制模块按任务管理机制实时进行统一调度，分配运行时间，进行数据和信号的交换。
4.1 系统初始化模块
系统初始化模块在系统上电复位时对系统进行初始化。DSP在RESET后，许多的寄存器的初值一般同用户的要求不一致，例如：等待寄存器，SP，中断定位寄存器等，需要通过初始化程序设置为用户要求的数值。 初始化程序的主要作用： 1)设置寄存器初值。 2)建立中断向量表。 3)外围部件初始化。初始化的内容包括DSP内部的时钟、各端口设置、串行通信接口、ADC、看门狗定时器、系统变量等，以保证DSP的正常运行。
4.2 SCI中断
SCI通信主要是实现DSP芯片与上位机数据交换。在SCI通信可以使用中断控制接收器和发送器的操作，SCICTL2寄存器有一个标志位（TXRDY），用来指示有效的中断条件，SCIRXST寄存器有两个中断标志位（RXRDY和BRKDT），此外还有RX ERROR中断标志位,该中断标志是PE,OE和PE条件的逻辑或。
4.3 数据采集中断程序
系统的数据采集处理是由定时中断服务程序完成的。在该程序中DSP芯片的16路AD通道共同工作，TMS320F2812在对AD模块的信号进行处理的时候，总是与写入FLASH中的预值比较，如果比较不合格则TMS320F2812驱动空气阀门，中断程序执行结束，返回主程序。
5、小结
基于TMS320F2812的光电色选系统充分利用了TMS320F2812芯片强大的A/D转换和处理功能，系统虽然采用了较为传统的通过背景控制来改变色彩传感器信号，相对于一些通过采集样品图象来进行样品色选的系统（例如CCD系统）在色选精度上可能有些不足，但是对于那些个体比较粗糙，对色选精度要求不高的样品，采用本系统是非常合适的。另外，TMS320F2812的高速性能，也使的整个系统的硬软件设计更为简化，并使整个系统具有更高的实时性和稳定性。
参考文献：
[1] TI.TMS320F2812 User Guide[Z].Document SPRS1741.2003
[2]苏奎锋，吕强等. TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社.2005
[3]王念旭.DSP基础与应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社.2001
[4]黄东海，郑力新. DSP色选系统数字信号处理算法[G].泉州：华侨大学学报（自然科学版）.2006
[5]李明伟，刘静茹.一种高速线阵CCD图像数据采集系统[G].仪器仪表学报.2005