光电色选机色差信号处理算法单片机实现

摘 要 ： 绍 了 色选 机 国 内发 展 概 况 ， 出的 基 于 单 片机 这 样 一 种 廉 价 芯 片 构 架 的 色 选 机 设 计 方 法 。 它 采 用 介 提 Ｃ ０ １ ３ ０采 集 多 个通 道 的 色差 信 号 ， 用 快 速 组 合 算 法 对 色差 信 号 进 行 处 理 ， 出控 制 啧 阀板 和 Ｌ ８５Ｆ ６ 使 输 ＥＤ 指 示 灯 板 。试 验 结 果 表 明 ， 设 计 方 法 具有 优 良的控 制 性 能 和 精 度 ， 成 本低 廉 。 该 且
方程 。
光 信号 经带通 滤 波器放 大 ， 波等 预处 理后 ， 滤 输 出信号送 给单 片机 比较 判断 ， 分辨 出坏 米 ， 输 出信 其 号 再控 制喷 阀板剔 除 异 色 粒 等类 型 的疵 米 ， 示 灯 指 发 光指示 异 色粒 出现 的通 道 ， 片 机通 过 串 口向 上 单 位 机传输 波形 数据 ， 接受上 位机 的参 数设置 。 并 常规 的光 电色选 机 性 能 指标 是 ： 同步采 样 率 为 ０ １ｍｓ 喷 气 电 脉 宽 延 时 ０ １ ９ ９ｍｓ 喷 气 延 时 ． ， ． ～ ． ， ０ １ ９ｍｓ ０ １ｍｓ向上位 机 回送 １个 采 样 点 （ ． ～９ ，． 用 于 上位机 监 控 波形 显 示 ）１。因 此 处理 板 采 样 时 还 ＿ ］ 要有 精确 的延 时和 脉宽 控制 ， 对速度 要求 极 高 。 鉴 于 以上 ， 处理 板 的核 心单 片 机 芯片 选 择 的 该 是 Ｃ ０ １ ３ ０高速 芯片 ， ８５ Ｆ ６ 它有很 强 的接 口和 嵌 入 能 力， 高速 、 流水 线结构 与 ８ ５ 兼 容 的微控 制器 核 （ ０１ 可
Ｃ一 ［ （ ｎ ） Ｘ２ 一 ：） １ — ｄ１ ，＂ ｄ ， ２
…
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（＂ ｎ ）， ， ＂（ ７一 ｄ … Ｘｋ 一 ７ｗ ） 。 ／ ／ ＂ ｋｊ ｄ
Ｙ ＝ ， （） ４
上述公 式可 合并 成 向量形 式 ：
式 中 ， 代 表 向 量 的 逻 辑 乘 积 ， 义 为 ： 一 ＠ 定 Ｙ， Ｂ ×ｃ 即向量 ｙ中 ｉ Ｊ列元 素 ｙ 等 于 向量 Ｂ 及 ｄ 行 ｃ中对应 ｉ Ｊ列 元 素 逻 辑 乘 积 。公 式 （ ） 明 了 行 ４表 在 任 意序列 时刻 ， ｋ通道 的组 合输 出状 态 和各通 道 由延 时及 宽度决 定 的组合 离散 序列 状态 之 间的关 系
关键词 ： 大米 ； 电 色选 机 ； 光 色差信 号 ； 合 算 法 ； 片机 ； ／ 组 单 Ａ Ｄ采 样 ； 时 延
中 图分 类 号 ： ２ ２ ３ ＴＰ ７ ＴＳ １ ． ： ２ ４ 文献 标 志 码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：０ ３ ２ ２ ２ １ ） ６ ０ ４ ４ １ ０ —６ ０ （ ０ ２ ０ —０ ０ —０
黎 小 花 等 ： 电 色选 机 色 差 信 号 处 理 算 法 单 片 机 实 现／ ０２年 囊 ６期 光 ２１
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Ｙ 一 ［ １ ｎ ， （ ， ， ， ， ， （ ） 。 （ ） ２ ） … Ｙ （ ） … ｋ ］ ２ ｒ
（ ） 输人 延 时 向量 。表示 ｋ个 通 道 在 一 ２Ｂ，
详见 图 １ｂ 所示 。 （） 如 Ａ／ Ｄ连续 等 间隙 采样 ， 样 周期 为 Ｔ， 冲 采 脉
至上 百个溜 槽 中顺势 滑下 ， 经 光 电传 感器 后 ， 选 途 色 机 的信号检 测处 理 系统 利用 粮 食 颗 粒 的光 学 特性 ， 将 颜 色不 正常 、 面有 缺 陷 或 内部 变 质 的疵 品及 杂 表 物识别 出来 ， 自动 分选 剔 除 。 由于 粮食 颗 粒 的流 并 速快 ， 溜槽 多 ， 品 出现 的 时 间是 随 机 的 ， 记 录 从 疵 要 发现 疵 品到执 行喷 除的 时问 ， 时性要 求极 高 ， 实 多数 系统 采用 高性 能 的 Ｄ Ｐ型信 号 处 理 板 来 实 现 。本 Ｓ 文设 计 了基 于 单 片机 Ｃ Ｏ １ ３ ０的光 电色 选 机 色 ８５ Ｆ ６ 差信 号处 理板 和处 理 算 法 ， 以在 较 低 成 本 的条 件 可 下， 完全 实现 ＤＳ Ｐ型 信 号 处 理板 的 功能 和性 能 ， 具 有较 高 实时性 和准 确性 。 １ 多通 道 色差信 号处 理算 法原理 大 米色选 机 检测 信 号 为 随 机 脉 冲信 号 ¨ ， 脉 ３当 ］ 冲信号 的值 大于 一定 的 阈值 时 ， 应 的 ＩＯ 口需 要 对 ／ 输 出一 个具 有一 定延 时和宽 度 的数字脉 冲信 号作 为 喷阀驱 动板 和 喷阀指示 板 的驱动 信号 ， 因此 ， 存在 输 出脉 冲 的定 时 和脉宽控 制 问题 。本文 提 出了一种 用 软 件 实现色 差信 号处理 的快 速准 确 的组 合算 法 。 假 定输 入模 拟信号 为单 极 性 脉 冲信 号 ． ， ｚ ） 当 （ 脉 冲信 号 的值 大 于 阈值 Ｖ 时 ， 要 输 出一 个 对 应 需 的高 电平 脉冲 。 图 １中， 为表示 脉 冲结 束 的软 件 。 阈值 。 以某 一 有用 随机脉 冲信号 之前 的一 个有用 信 号结 束 时刻 Ａ 点 至其 本 身结 束 时刻 Ｂ 点 为一 个 研 究 周 期 ， 个 时间顺 序 上 连 续 的 随机 脉 冲信 号 之 间 两 的软 件可 区别 间隔 时间 为 Ｔ ， 图 ｌ所示 。 （） 见 经 过 Ａ／ Ｄ采样 后变 为 时域离 散随 机信号 序列 ， 阈值 经 和 比较处 理 后 变 为 幅值 离散 序 列 ｚ（ ） 。假
Ｚ （ ）一 ｆ１ ｎ Ｙ １
×
Ｚ ２ （ ｌ ２ ）一 Ｙ
× ，
× ，
（ｚ ｌ ， Ｙ ）一
，
Ｚ
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【ｋ ）一 ｋ （
× ｋ
式 中 ， ｗ Ｉ＋” ｉ ， ， ， ， 。 ｄ 一Ｔ ，一１ ２ ３ … 忌 ！ ｄ 定义 ｋ ×１维 向量 ｙ， Ｂ及 Ｃ为 ： （ ） 输 出状 态 向量 。 表示 任 意序 列 时 刻 ， １ｙ， 忌个通 道 的输 出状态 的组合 向量 ， 式为 ： 形
２ １ ＡＤ 数 据 采 集 与 处 理 流 程 ． Ｃ
（） ｈ
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［ ［ ｊ
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图 １ 脉 冲信 号 ｘ ｔ与 对 应 的离 散 序 列 （ ） （） ｎ 及 输 出 信 号 序 列 Ｙ ｎ 时序 关 系 图 （）
２ Ｃ ０ １ ３ ０色 差 信 号 处 理 板 的 实 现 ８５Ｆ ６
（ ） … ， （ ｄ ］ 。 一 ， ｋ 一 ｋ Ｔ ） （ ） 宽 度 向 量 。表 示 ｋ个 通 道 在 一 ３ Ｃ， （一１ ２ ３ … ， ） ， ， ， 尼 序列 时刻对 应 的输 入 宽度 向量 ， 形
…
，
式为 ：
图 ２ 色 差 信 号 处 理 板 单 片 机 控 制 原 理 框 图
基 金 项 目： 建 省 产 业 计 划 开 发 项 目 ； 州市 科 技 计 划 项 目（ 目编 号 ２ １Ｇ１ 福 泉 项 ００ ） 作 者 简 介 ： 小 花 （９ ６） 女 ， 黎 １ ８ 一 ， 在读 硕 士 研 究 生 ， 要 从 事 智 能技 术 与 自动 化 装 置 的研 究 。 主
达 １ ０ Ｍ Ｉ ） ０ ＰＳ 。
ｉ） ｎ
．
（） ｂ
ｒ
） — 丑 一 ：
指令 结 构 ： Ｏ 的 指令 执 行周 期 为 １ 或 ２个 ７ 个 系 统 时 钟 周 期 ； ０位 Ａ １ ＤＣ， 换 速 率 最 高 可 达 转
２ ０ｋ ｐ ； 精度 可编程 的 ２ ． ０ ｓ ｓ高 ４ ５ＭＨｚ内部振 荡 器 ； 最 多可 达 ３ ９个 Ｉ Ｏ； ／ ４个 通 用 １ ６位 计 数 ／ 时 器 ； 定 １２ ０字节 内 部 数 据 ＲＡＭ （ ５ ＋ １ ０ ４ ， ２ ＫＢ ８ ２ ６ ２ ） ３ Ｆ ＡＳ 硬 件增强 型 ＵＡＲ Ｓ ｕ 和 增 强型 Ｓ Ｉ Ｌ Ｈ； Ｔ， ＭＢ ｓ Ｐ 串 口。并 且 Ｆ ６ ３ ０有 ２ ３个 ＡＤ 通 道 ， 以满 足 单 Ｃ 可 元 通 道数模 块 的最 高要求 。
Ｔ≥Ｔ ， 丁 ｋ Ｔ ≥ 时 ，
ｙ（ ）一 （ ｔ 一 Ｔｄ ）×Ｘ＇（ ｋ 一 ｄ ）。 ｋ （） １
将 公式 （ ） １ 写成 离散 序列形 式 ：
Ｙ（ 一 （ 一 ｄ × （ ） 咒 ） 一 ｄ ） ｗ ，
Ｔ 一 ０． ２… Ｉ １．
（ ） ２
对于 有 多个 通道 的随 机脉 冲 信号 系 统 ， 假定 通 道数 为 尼 其 输 入 信 号对 应 的幅值 离 散 序列 分 别 为 ， （ ） ｉ ， ， ， …ｋ ， 出脉 冲信 号 的延 时及 脉 （一０ １ ２ ３ ）输 宽要 求 分别 为 ： ｄ， ； ｄ； ； ； ｄ Ｔ … ； Ｔ １ Ｔ １ Ｔ ２ Ｔ ２ … Ｔ ｆ ； ， Ｔ Ｔ 它 们 对 应 的采 样 序 列 数 分 别 为 ： ， ； ； ” ｄ， ； ； ｆ ｖ … ； ， ； ２ｎ ２ … ｄ 、； ｎｋ ｎ ｋ ｋ个 通 道 的输 出信 ， ｄ 号 序列为 ： （一０ １ ２ ３ … ，） 则 有 Ｙ（ ， ， ， ， ｋ ， ）
（一１ ２ ３ … ，） ， ， ， 五 序列 时刻 对 应 的输 入延 时 向量 ， 形 式为：
Ｂ — Ｌ （ — ｎ１ ， ２ 一 咒２ ， ｆ， ｚ ｄ （ ） ｄ）
述算 法 ， ２为 该 处理 板 总 体 控 制示 意框 图 。框 图 图主要 由 Ｃ ０ １ ３ ０主控 制 芯 片 、 ８ ５Ｆ ６ 带通 滤 波模 块 、 电源 转换 模块 、ＴＡＧ仿 真模块 、 Ｊ 喷阀及 灯 板驱 动模 块及 上下 位机 串 口通 信接 口模 块组成 。
色 选是 精米加 工 中一道重 要工 序口 。色选 机是 ］
种从 运动 的颗 粒 流 中 ， 杂 质 进 行识 别 和 剔 除 的 将 光 机 电一体 化 的高科技 设备 ＿ 。粮食 颗粒 从几 十 甚 ２ ］
一
定 ｚ 大于 阈值 时 ， 取 高 电平“ ” 小 于 阈 （） ｚ（ ） １； 值 时 ， 低 电平 “ ” ｚ（ 的高 电平 宽 度 为 丁 ， 取 ０ ， ） ｋ
收 稿 日期 ：０ 卜０ ９修 回 日期 ：０ ２０ —２ ２ １ ９１ ； ２ Ｉ －３０
信号 （） 应 的 输 出 高 电平 脉 冲信 号 相 对 系统 获 对 得其 幅值 离散序 列 ｚ （ 的延 时 为 丁 ， 冲 宽 度 为 ） 脉 Ｔ ， 图 １ ｂ ～图 １ ｆ所 示 。图 １ 见 （） （） 为输 入 随机脉 冲 信号 ｚ 和对应 的幅值 离散 序 列 （ ） （） ｎ 及输 出信号 序 列 ． ｎ 或 （） 间的时 间关 系 ， ｙ ） （ 之 以及 两个 时 间顺 序 上 连 续 的 有 用 信 号 时 序 关 系 。 其 中 ， 列 序 ｄ ｄＴ；ｄ —Ｔ ／ ｎ 一 （ ｄ Ｔ ） Ｔ。 由 图 １可 得 ， Ｔ ＋ ／ 当
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光 电色 选 机 色差 信 号 处 理算 法 单 片机 实现
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（ 侨大学信息科学与工程学 院， 建 厦 门 ３１２） 华 福 ６０ １