一种提高测距准确性的自适应单锭检测系统及方法与流程

1.本发明涉及细纱机纺织单锭检测相关技术领域，尤其涉及一种提高测距准确性的自适应单锭检测系统及方法。


背景技术：

2.因细纱机环境噪音大，用工成本增加，人员稳定性较大，导致熟练挡车工的缺乏，因此当环锭上纱线断头时，挡车工有90％时间用于寻找断头位置，人员效率低，目前纺织领域智能改造升级迫在眉睫，故环锭检测系统呼之欲出。现有技术需根据安装距离及钢丝圈的粗细手动调节增益和阈值，因变量较多，故对使用者要求较高，操作复杂，很难做到一次调整到位且数据准确。
3.有鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种提高测距准确性的自适应单锭检测系统及方法，使其更具有产业上的利用价值。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种提高测距准确性的自适应单锭检测系统及方法。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明目的之一：
7.一种提高测距准确性的自适应单锭检测系统，包括若干个采集头，采集头的输出端与多路增益选择器的第一输入端端相连接，多路增益选择器的输出端与一级放大预处理电路的输入端相连接，一级放大预处理电路的输出端与有源低通滤波器的输入端相连接，有源低通滤波器的输出端与过零反向放大电路的输入端相连接，过零反向放大电路的第一输出端与比较器的同向输入端相连接，过零反向放大电路的第二输出端与adc取样电路的输入端相连接，dac的输出端与比较器的反向输入端相连接，adc取样电路的输出端与主处理器的第一输入端相连接，比较器的输出端与主处理器的第二输入端相连接，主处理器的第一输出端与多路增益选择器的第二输入端相连接，主处理器的第二输出端与dac的输入端相连接。
8.作为本发明的进一步改进，一级放大预处理电路包括芯片u3，芯片u3的型号为opa17x，芯片u3的第一引脚与out
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a端相连接，芯片u3的第二引脚与电阻r4的一端相连接，电阻r4的另一端与芯片u3的第一引脚相连接，电容c2并接在电阻r4上，芯片u3的第二引脚与电阻r1的一端相连接，电阻r1的另一端与电容c6的一端相连接，电容c6的另一端与net
‑
a端相连接，电阻r2的一端与 5v相连接，电阻r2的另一端与电阻r3的一端串联，电阻r3的另一端接地，电阻r2和电阻r3的相连接处连接至芯片u3的第三引脚，电容c1并接在r3上，芯片u3的第五引脚与 5v相连接，芯片u3的第四引脚接地。
9.作为本发明的进一步改进，有源低通滤波器包括芯片u1，芯片u1型号为opa17x，芯片u1的第一引脚与out
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b端相连接，芯片u1的第二引脚与电容c4的一端相连接，电容c4的另
一端接地，芯片u1的第二引脚与电阻r6的一端相连接，电阻r6的另一端与电阻r5的一端相连接，电阻r5的另一端与out
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a端相连接，芯片u1的第三引脚与电容c3的一端相连接，电容c3的另一端与电阻r5的一端相连接，芯片u1的第三引脚与芯片u1的第二引脚相连接，芯片u1的第四引脚与 5v相连接，芯片u1的第五引脚接地。
10.作为本发明的进一步改进，过零反向放大电路包括芯片u2，芯片u2的型号为lm324an，芯片u2的第一引脚与二极管d2的阳极端相连接，二极管d2的阴极端与out2端相连接，芯片u2的第一引脚与二极管d1的阴极端相连接，二极管d1的阳极端与芯片u2的第二引脚相连接，芯片u2的第二引脚与电阻r10的一端相连接，电阻r10的另一端与芯片u2的第一引脚相连接，电阻r10并接有电容c7，芯片u2的第二引脚与电阻r8的一端相连接，电阻r8的另一端与电容c5的一端相连接，电容c5的另一端通过电阻r7与out
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b端相连接，芯片u2的第三引脚接地，芯片u2的第三引脚与电阻r9的一端相连接，电阻r9的另一端与电容c5的一端相连接，芯片u2的第四引脚与 5v相连接，芯片u2的第五引脚接地。
11.作为本发明的进一步改进，多路增益选择器的型号为cd4053，比较器的型号为lm293。
12.作为本发明的进一步改进，主处理器主处理器为arm或者mcu，mcu为stm32或nxp系列单片机。
13.本发明目的之二：
14.一种提高测距准确性的自适应单锭检测系统的方法，包括以下步骤：
15.步骤s1、通过多路增益选择器将采集头的微伏级小信号进行放大处理；
16.步骤s2、通过有源低通滤波器将高频无用信号滤除；
17.步骤s3、通过过零反向放大电路将毫伏级信号进一步放大并输出给比较器的同向输入端；
18.步骤s4、同时adc取样电路对时域信息进行采样并输入主处理器；
19.其中，步骤s4分为步骤s41和步骤s42两种方式：
20.步骤s41、adc取样电路对时域信息进行采样，通过傅里叶变换后对adc取样电路的结果进行转换，从时域信息转换到频域信息，从而输入主处理器；
21.步骤s42、adc取样电路直接对过零反向放大电路进行采样，并将采样到的时域信息输入主处理器；
22.步骤s5、如果是步骤s41则跳过；如果是步骤s42，输入主处理器的是adc取样电路对时域信息进行的采样，在主处理器内部对该时域信息进行傅里叶变换，将该时域信息转换为频域信息；
23.步骤s6、提取频域信息中的频率特征，作为频率的参考基准，并经过dac转换之后，输出给比较器的反向输入端；
24.步骤s7、通过主处理器中断计数算出实时频率，当单位时间比较器输出的脉冲数跟参考频率相差在预设取值范围内时，主处理器通过控制多路增益选择器进行不断修正所需要放大的增益，即可实现频率计算准确且自动调节的目的；
25.步骤s8、当发生断头或者弱捻的情况时，将会导致频率的急剧变化，此时单位时间比较器输出的脉冲数与参考频率之差将会超过预设的取值范围，此时主处理器将控制报警装置实现报警。
26.作为本发明的进一步改进，步骤s6中提取频谱信息包括：
27.步骤s61、将模拟信号经过adc取样电路处理后，量化为一条曲线；
28.步骤s62、对步骤s61中曲线中的频率成分进行软件滤波处理，将超出频率限制的高频信号滤除。
29.借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
30.本发明无需用户参与便可实现单锭检测的自动调节，且数据准确；本发明可以实现无人值守，快速检测断头和弱捻进行检测报警的功能。
31.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
33.图1是本发明一种提高测距准确性的自适应单锭检测系统的结构示意图；
34.图2是本发明一种提高测距准确性的自适应单锭检测系统的流程图；
35.图3是图1中一级放大预处理电路的电路图；
36.图4是图1中有源低通滤波器的电路图；
37.图5是图1中过零反向放大电路的电路图；
38.图6是本发明的曲线波形图；
39.图7是本发明的通用定时器框图。
40.其中，图中各附图标记的含义如下。
41.1 采集头
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2 多路增益选择器
42.3 一级放大预处理电路
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4 有源低通滤波器
43.5 过零反向放大电路
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6 adc取样电路
44.7 比较器
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8 dac
45.9 主处理器
具体实施方式
46.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
47.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.实施例
49.如图1～图7所示，
50.本发明目的之一：
51.一种提高测距准确性的自适应单锭检测系统，包括若干个采集头1，采集头1的输出端与多路增益选择器2的第一输入端端相连接，多路增益选择器2的输出端与一级放大预处理电路3的输入端相连接，一级放大预处理电路3的输出端与有源低通滤波器4的输入端相连接，有源低通滤波器4的输出端与过零反向放大电路5的输入端相连接，过零反向放大电路5的第一输出端与比较器7的同向输入端相连接，过零反向放大电路5的第二输出端与adc取样电路6的输入端相连接，dac8的输出端与比较器7的反向输入端相连接，adc取样电路6的输出端与主处理器9的第一输入端相连接，比较器7的输出端与主处理器9的第二输入端相连接，主处理器9的第一输出端与多路增益选择器2的第二输入端相连接，主处理器9的第二输出端与dac8的输入端相连接。
52.优选的，一级放大预处理电路3包括芯片u3，芯片u3的型号为opa17x，芯片u3的第一引脚与out
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a端相连接，芯片u3的第二引脚与电阻r4的一端相连接，电阻r4的另一端与芯片u3的第一引脚相连接，电容c2并接在电阻r4上，芯片u3的第二引脚与电阻r1的一端相连接，电阻r1的另一端与电容c6的一端相连接，电容c6的另一端与net
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a端相连接，电阻r2的一端与 5v相连接，电阻r2的另一端与电阻r3的一端串联，电阻r3的另一端接地，电阻r2和电阻r3的相连接处连接至芯片u3的第三引脚，电容c1并接在r3上，芯片u3的第五引脚与 5v相连接，芯片u3的第四引脚接地。
53.优选的，有源低通滤波器4包括芯片u1，芯片u1型号为opa17x，芯片u1的第一引脚与out
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b端相连接，芯片u1的第二引脚与电容c4的一端相连接，电容c4的另一端接地，芯片u1的第二引脚与电阻r6的一端相连接，电阻r6的另一端与电阻r5的一端相连接，电阻r5的另一端与out
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a端相连接，芯片u1的第三引脚与电容c3的一端相连接，电容c3的另一端与电阻r5的一端相连接，芯片u1的第三引脚与芯片u1的第二引脚相连接，芯片u1的第四引脚与 5v相连接，芯片u1的第五引脚接地。
54.优选的，过零反向放大电路5包括芯片u2，芯片u2的型号为lm324an，芯片u2的第一引脚与二极管d2的阳极端相连接，二极管d2的阴极端与out2端相连接，芯片u2的第一引脚与二极管d1的阴极端相连接，二极管d1的阳极端与芯片u2的第二引脚相连接，芯片u2的第二引脚与电阻r10的一端相连接，电阻r10的另一端与芯片u2的第一引脚相连接，电阻r10并接有电容c7，芯片u2的第二引脚与电阻r8的一端相连接，电阻r8的另一端与电容c5的一端相连接，电容c5的另一端通过电阻r7与out
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b端相连接，芯片u2的第三引脚接地，芯片u2的第三引脚与电阻r9的一端相连接，电阻r9的另一端与电容c5的一端相连接，芯片u2的第四引脚与 5v相连接，芯片u2的第五引脚接地。
55.优选的，多路增益选择器2的型号为cd4053，比较器7的型号为lm293。
56.优选的，主处理器主处理器9为arm或者mcu，mcu为stm32或nxp系列单片机。
57.本发明目的之二：
58.一种提高测距准确性的自适应单锭检测系统的方法，包括以下步骤：
59.步骤s1、通过多路增益选择器2将采集头1的微伏级小信号进行放大处理；
60.步骤s2、通过有源低通滤波器4将高频无用信号滤除；
61.步骤s3、通过过零反向放大电路5将毫伏级信号进一步放大并输出给比较器7的同向输入端；
62.步骤s4、同时adc取样电路6对时域信息进行采样并输入主处理器9；
63.其中，步骤s4分为步骤s41和步骤s42两种方式：
64.步骤s41、adc取样电路6对时域信息进行采样，通过傅里叶变换后对adc取样电路6的结果进行转换，从时域信息转换到频域信息，从而输入主处理器9；
65.步骤s42、adc取样电路6直接对过零反向放大电路5进行采样，并将采样到的时域信息输入主处理器9；
66.步骤s41：通过硬件实现傅里叶变换电路，对adc取样电路6的信号进行傅里叶处理，处理之后的数据送到主处理器9，这样主处理器9就可以节省一定的运行内存，但是整体电路结构会复杂点。步骤s42：adc取样电路6对过零反向放大电路5取样之后，直接送入主处理器9中，主处理器9内部进行软件的傅里叶运算，以完成从时域到频域的变化，这样整体电路结构简单点，会占用主处理器一定的运行内存。
67.步骤s5、如果是步骤s41则跳过；如果是步骤s42，输入主处理器9的是adc取样电路6对时域信息进行的采样，在主处理器9内部对该时域信息进行傅里叶变换，将该时域信息转换为频域信息；
68.步骤s6、提取频域信息中的频率特征，作为频率的参考基准，并经过dac8转换之后，输出给比较器7的反向输入端；
69.通过主处理器9控制dac8，产生一个参考信号，将过零反向放大电路5的采样信号与该参考信号一起送入比较器7起做比。
70.步骤s7、通过主处理器9中断计数算出实时频率，当单位时间比较器7输出的脉冲数跟参考频率相差在预设取值范围内时，主处理器9通过控制多路增益选择器2进行不断修正所需要放大的增益，即可实现频率计算准确且自动调节的目的；
71.步骤s8、当发生断头或者弱捻的情况时，将会导致频率的急剧变化，此时单位时间比较器7输出的脉冲数与参考频率之差将会超过预设的取值范围，此时主处理器9将控制报警装置实现报警。
72.其中，主处理器9还输出一个信号到外部的报警装置。主处理器9做比较，差值在预设范围内，则输出信号到多路增益选择器2，进行不断的反馈修正，确保采样到的频率准确，反之，超出预设范围，认为产生了断头或者弱捻现象，输出信号到报警装置。报警装置的led红蓝灯可以实时指示断头及弱捻的情况。其中，报警装置可以根据使用和规格要求情况的不同，进行适应性的调节，在满足本领域内的使用要求的前提下即可。
73.其中，关于步骤s7中的预设取值范围，对于细纱机纺织机械而言，转速范围在0
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30000转/分，开始运行速率在6000转/分以上，根据速度渐变曲线调整。
74.优选的，步骤s6中提取频谱信息包括：
75.步骤s61、将模拟信号经过adc取样电路6处理后，量化为一条曲线；
76.步骤s62、对步骤s61中曲线中的频率成分进行软件滤波处理，将超出频率限制的高频信号滤除，如将1khz以上的高频信号滤除。其中，高频信号滤除是滤除环境噪声，如：电机的高频干扰噪声等。
77.其中，步骤s7中主处理器9中断计数算出实时频率：
78.通用定时器框图如图7所示：
79.通用tim是包含了基本tim的功能，也可以说基本定时器是定时器最基本的计数部分。
80.其中，重要的几个参数(信息)：
81.1、ck_int时钟：一般由rcc提供(注意：其频率大部分都是系统时钟的一半，在程序中有一个除2的部分，详情请见rcc部分)。
82.2、ck_psc时钟预分频：也就是对ck_int分频。这个值范围：0
‑
65535范围都可以，最好能被ck_int除尽，这样才方便计算时钟。
83.3、arr重载值：这个值相当于是我们设定需要计数的值，也就是说计数到这个设定值就会产生一个事件。
84.综上：ck_int和ck_psc确定计数的时钟频率(1秒计多少数)，arr是设定的计数值。最基本的延时(或定时)就由以上三个参数计算而来
85.对定时器进行配置的详细步骤如下：
86.使能定时器时钟；
87.定时器是挂载在apb1总线上的设备，因此使能定时器可以调用函数：
88.rcc_apb1periphclockcmd(rcc_apb1periph_timx,enable)；
89.初始化定时器参数，包含了自动重装值，分频系数，计数方式等；
90.调用函数：void tim_timebaseinit(tim_typedef*timx,tim_timebaseinittypedef*tim_timebaseinitstruct)；
91.tim_timebaseinittypedef为一个结构体类型，包含了定时器初始化的成员变量：
[0092][0093]
tim_prescaler：时钟源经过该预分频器后输出的是定时器时钟，设置范围为0～65535；
[0094]
tim_coutermode：可设置为tim_countermode_up(向上)、tim_countermode_down(向下)以及中心对齐计数模式；
[0095]
tim_period：设置定时器自动重载计数值，范围为0～65536；
[0096]
tim_clockdivision：时钟分频因子，设置定时器时钟ck_int频率与数字滤波器采样时钟频率分频比；
[0097]
tim_repetitioncounter：重复计数器，简单的控制pwm输出个数。
[0098]
设置定时器中断类型，使能定时器；
[0099]
调用函数：void tim_itconfig(tim_typedef*timx,uint16_t tim_it,functionalstate newstate)；
[0100]
tim_it用来设置定时器中断类型，包含tim_it_update(更新中断)、tim_it_trigger(触发中断)以及输入捕获中断等等；
[0101]
functionalstate用来使能或使能定时器中断，enable和disable。
[0102]
设置定时器中断优先级，使能定时器中断通道；
[0103]
对nvic初始化，如前一节中所示。
[0104]
开启定时器；
[0105]
调用函数：void tim_cmd(tim_typedef*timx,functionalstate newstate)；
[0106]
编写定时器中断服务函数。
[0107]
由于定时器中断类型有很多，因此在中断服务函数中需要通过状态寄存器的值来判断此次中断属于哪一种类型，然后再执行相应的用户程序。
[0108]
本发通过多路增益选择器将采集头的微伏级小信号进行放大处理；通过有源低通滤波器将高频无用信号滤除；通过过零反向放大电路将毫伏级信号进一步放大并输出给比较器的同向输入端；同时adc取样电路对时域信息进行采样并输入主处理器；提取频域信息中的频率特征，作为频率的参考基准，并经过dac转换之后，输出给比较器的反向输入端；通过主处理器中断计数算出实时频率，当单位时间比较器输出的脉冲数跟参考频率相差在预设取值范围内时，主处理器通过控制多路增益选择器进行不断修正所需要放大的增益，即可实现频率计算准确且自动调节的目的；当发生断头或者弱捻的情况时，将会导致频率的急剧变化，此时单位时间比较器输出的脉冲数与参考频率之差将会超过预设的取值范围，此时主处理器将控制报警装置实现报警。
[0109]
本发明无需用户参与便可实现单锭检测的自动调节，且数据准确；本发明可以实现无人值守，快速检测断头和弱捻的功能。
[0110]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指咧所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0111]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接：可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通.对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0112]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和
变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。