費正盼，賈良權(quán)，劉 杰，高 璐，唐琦哲，祁亨年

(湖州師范學院 信息工程學院 浙江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)資源智慧管理與應用研究重點實驗室，浙江 湖州 313000)

種子分選是為了剔除不良種子、異物等，以提高種子的精度級別和利用率，進而提高種子的純度、發(fā)芽率和活力，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義[1].廣泛應用的種子分選方法主要有風力分選、重力分選和光電分選等.目前國內(nèi)種子分選裝備仍以機械調(diào)節(jié)為主，計算機、傳感、變頻等先進技術(shù)應用較少，且自動化程度較低、能耗高、噪音大，產(chǎn)品的性能和精選質(zhì)量與國外智能化裝備相比差距較大[2].機電控制系統(tǒng)是種子分選設(shè)備的核心模塊之一.可編程邏輯控制器(PLC)因其技術(shù)成熟規(guī)范、可靠性高、抗干擾能力強、組合靈活、編程簡單、維修方便等優(yōu)點[3-4]，在種子分選設(shè)備中得到廣泛應用.潘雪峰[5]基于光學無損檢測的蔬菜種子分選系統(tǒng)，以PLC控制器為核心設(shè)計了基于VS2010和OpenCV的種子分選軟件平臺，分選成功率平均在91%以上；蔡衛(wèi)國[6]以PLC為核心控制器，設(shè)計了一款種子精選分級機構(gòu)，將種子按其質(zhì)量級別信息通過吹嘴吹入相應容器中，完成種子質(zhì)量分選，當傳送帶速度為0.2 m/s、氣壓為0.8 MPa時，種子分級合格率可達90%以上.上述種子分選設(shè)備的控制系統(tǒng)主要由PLC組成，通過驅(qū)動電磁閥、步進電機或機械臂等執(zhí)行元件完成相應的分選動作，上位機軟件采用C/C++、C#等高級語言編寫.控制系統(tǒng)開發(fā)過程涉及較多的通信、軟硬件協(xié)議，人機交互界面設(shè)計復雜，整個開發(fā)過程工作量較大、周期較長[7-9].

為使開發(fā)過程更簡潔、更靈活，本文利用LabVIEW軟件優(yōu)秀的可視化能力和豐富的集成工具庫，設(shè)計人機交互界面與種子分選控制系統(tǒng)，通過硬件電路和驅(qū)動程序驅(qū)動步進電機完成種子分選，以達到自動化、精準化的種子分選效果.

1 系統(tǒng)與硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的種子分選系統(tǒng)的基本工作流程為：種子放入設(shè)備后，由種子品級識別裝置(高光譜相機)采集種子光譜信息傳輸給工控機，工控機上位機軟件基于采集的光譜信息利用種子品級識別算法計算并輸出對應的種子品級信息，種子進入分選區(qū)后，控制系統(tǒng)根據(jù)其品級信息驅(qū)動對應步進電機轉(zhuǎn)動90°，帶動電機上4個互成90°角的分選擋板將種子推入相應的品級槽中.種子分選設(shè)備示意圖如圖1所示.

該種子分選系統(tǒng)由機械部分、硬件電路、軟件部分組成.設(shè)備組成結(jié)構(gòu)如圖2所示.

系統(tǒng)的控制程序工作流程為：①由算法識別并輸出種子的品級信息；②根據(jù)種子和分選電機的位置計算種子到達分選電機的時間，此時計算機向LabVIEW控制程序發(fā)出指令；③LabVIEW根據(jù)指令驅(qū)動對應電機的子VI，子VI通過DAQ模塊向PCI板卡發(fā)出數(shù)字脈沖，驅(qū)動相應電機轉(zhuǎn)動一定角度，將種子推入品級分選槽，之后循環(huán)掃描是否接收到分選算法發(fā)出的電機驅(qū)動信號；④重復上述步驟，直到種子分選完成.種子分選系統(tǒng)控制程序流程如圖3所示.

1.2 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的基于LabVIEW的種子分選設(shè)備硬件部分主要由上位機、PCI板卡、步進電機驅(qū)動器、步進電機構(gòu)成.上位機的LabVIEW程序通過其內(nèi)部的DAQ模塊驅(qū)動PCI板卡產(chǎn)生所需的數(shù)字脈沖，并將其輸出到步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動步進電機完成相應動作.種子分選設(shè)備電機驅(qū)動系統(tǒng)如圖4所示.

考慮到驅(qū)動程序的開發(fā)和調(diào)試過程要求設(shè)備與LabVIEW應具有較好的兼容性，本文選用型號為NI PCI-6509的96位高驅(qū)動數(shù)字輸入/輸出(DIO)設(shè)備作為數(shù)字脈沖的發(fā)生設(shè)備，上位機通過PCI接口與其進行數(shù)據(jù)通信.NI PCI-6509是美國國家儀器公司開發(fā)的一款數(shù)字輸入輸出設(shè)備，它具有96條TTL/CMOS兼容的數(shù)字I/O線、24mA高驅(qū)動輸出、數(shù)字濾波等功能，其豐富的數(shù)字I/O輸入輸出端口滿足了工程中同時控制多臺步進電機運動的需求.同時其與LabVIEW軟件具有較好的兼容性，利于驅(qū)動程序的開發(fā)和調(diào)試.根據(jù)步進電機和步進電機驅(qū)動器的型號設(shè)計相應的步進電機驅(qū)動電路，如圖5所示.每個電機的兩相繞組分別連接至對應驅(qū)動器的A+、A-和B+、B-端口.驅(qū)動器的其他4個端口分別為脈沖、方向、使能和電源端口，電源端口連接至12 V直流電壓源，脈沖、方向、使能端口的正端與對應的PCI板卡輸出端口相連接，負端統(tǒng)一連接至公共端口.

2 軟件設(shè)計

2.1 前面板

前面板是人機交互的關(guān)鍵部分，主要由參數(shù)顯示、電機運行狀態(tài)監(jiān)控和電機參數(shù)設(shè)置3部分組成.其中，參數(shù)顯示模塊主要用于顯示用戶和電機的各項參數(shù)信息；電機運行狀態(tài)監(jiān)控模塊主要用于電機監(jiān)測電機組的運行狀態(tài)和異常信息；電機參數(shù)設(shè)置模塊主要用于設(shè)置脈沖頻率、轉(zhuǎn)動角度、電機運行模式等參數(shù).參數(shù)設(shè)置模塊中脈沖頻率的可調(diào)范圍為0～500 Hz,電機轉(zhuǎn)動角度的可調(diào)范圍為0°～360°,電機運行模式分為自動運行和單步運行兩種模式.控制系統(tǒng)前界面如圖6所示.

2.2 脈沖發(fā)生

采用LabVIEW軟件對步進電機進行控制，脈沖的產(chǎn)生是其關(guān)鍵.本文利用LabVIEW內(nèi)部的DAQ模塊控制PCI板卡輸出脈沖波形.DAQ是NI公司的一套與LabVIEW兼容的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動，集成了豐富的應用程序編程接口(API)和VI函數(shù)等開發(fā)工具[10].脈沖產(chǎn)生的具體實現(xiàn)過程為：首先對DAQ模塊進行相應的配置，該系統(tǒng)選用的NI板卡與LabVIEW有較好的兼容性，配置時選擇數(shù)字信號輸出，然后選擇相應端口號即可.通過DAQ模塊控制PCI板卡輸出高低電平，在高低電平間來回切換就可以產(chǎn)生數(shù)字脈沖.利用for循環(huán)和延時可以精確地控制脈沖數(shù)和脈沖頻率.一般來說，脈沖頻率可由下式給出：

(1)

式中：f為脈沖頻率;T為脈沖周期.在LabVIEW程序中調(diào)整脈沖周期即可控制輸出脈沖的頻率.步進電機旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)可由下式給出：

(2)

式中：x為電機旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)；α為步進電機的步距角.本文選用的步進電機其步距角α為1.8°，將其帶入求得x為200個脈沖每轉(zhuǎn).進而電機的轉(zhuǎn)速可由下式給出：

(3)

式中：n為步進電機的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率；x為電機旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù).電機正常運行時，點亮對應的電機運行指示燈，當脈沖發(fā)生循環(huán)結(jié)束時，電機停止運轉(zhuǎn)并熄滅指示燈.

2.3 多電機并行控制

種子分選設(shè)備需要使用多個步進電機，對多個步進電機同時進行控制能使系統(tǒng)更高效.不同電機的驅(qū)動程序重復度較高，而采用子VI的設(shè)計可以較好地降低程序的重復度，只要在需要驅(qū)動電機時，調(diào)用相應的電機驅(qū)動子VI即可.在LabVIEW中，子VI一般只能串行運行，效率相對較低.為使在運行某個電機驅(qū)動子VI時其他電機驅(qū)動子VI也能同時響應，利用LabVIEW軟件的子VI并行運行功能，將電機驅(qū)動子VI的wait until done控制端口選項設(shè)置為false，即可同時調(diào)用多個步進電機驅(qū)動程序.多電機并行運行原理如圖7所示.

2.4 旋轉(zhuǎn)角度控制

在LabVIEW程序中，利用for循環(huán)可以精確地控制產(chǎn)生的數(shù)字脈沖數(shù).本文選用的步進電機其步距角α為1.8°，旋轉(zhuǎn)角度θ與旋轉(zhuǎn)該角度所需的數(shù)字脈沖數(shù)x的關(guān)系可由下式給出：

(4)

在前面板中輸入旋轉(zhuǎn)角度，通過式(4)即可計算出旋轉(zhuǎn)任意角度所需的數(shù)字脈沖數(shù)，將求得的x連接到for循環(huán)的循環(huán)次數(shù)控制端口，即可實現(xiàn)控制步進電機旋轉(zhuǎn)指定角度.

3 實驗與分析

根據(jù)工程實際情況，該控制系統(tǒng)對步進電機的轉(zhuǎn)矩需求小于0.8 N·m，因此通常選用基座號為28、42等型號的小型步進電機.同時步距角為1.8°的2相步進電機已經(jīng)能滿足系統(tǒng)控制精度要求.為測試該系統(tǒng)在不同電機保持轉(zhuǎn)矩條件下的運行情況，從符合參數(shù)要求的步進電機中選用兩款常用的2相4線制步進電機，其型號分別為DQ-28HB30A，保持轉(zhuǎn)矩為0.07 N·m，以及型號為DQ-42HB34A，保持轉(zhuǎn)矩為0.31 N·m，驅(qū)動器型號為DM420.在該程序下 NI PCI-6509最高能夠產(chǎn)生頻率為500 Hz的數(shù)字脈沖信號.通過改變脈沖頻率、驅(qū)動器細分數(shù)(細分數(shù)表示步進電機旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù))、旋轉(zhuǎn)角，讓電機在不同參數(shù)下分別進行50次試驗，觀察并記錄電機的運行狀態(tài).

調(diào)整脈沖頻率在100～500 Hz范圍內(nèi)變化，并對電機進行測試，發(fā)現(xiàn)DQ-42HB34A型號電機在各頻率下都能穩(wěn)定運行.DQ-28HB30A型號電機在頻率為100 Hz時會出現(xiàn)偶爾的失步現(xiàn)象；增加驅(qū)動脈沖頻率至200 Hz時，電機會出現(xiàn)嚴重的失步；至400 Hz時電機無法正常運行.實驗結(jié)果表明，脈沖頻率和電機保持轉(zhuǎn)矩對電機能否穩(wěn)定運行有重要影響.隨著脈沖頻率升高電機轉(zhuǎn)速增加，輸出轉(zhuǎn)矩相應降低，電機穩(wěn)定性下降.實驗結(jié)果如表1所示.

表1 脈沖頻率變化與驅(qū)動效果Tab.1 Influence of pulse frequency variation on driving effect

表1(續(xù))

調(diào)整細分數(shù)在200～1 600范圍內(nèi)變化，并對電機進行測試，發(fā)現(xiàn)細分數(shù)較低時，DQ-28HB30A型步進電機偶有失步現(xiàn)象，DQ-42HB34A型步進電機運轉(zhuǎn)正常；細分數(shù)增大時，DQ-28HB30A型步進電機運行穩(wěn)定性有輕微波動，DQ-42HB34A型步進電機運行穩(wěn)定性無明顯變化.由表2可知，在不同驅(qū)動器細分數(shù)條件下，DQ-42HB34A型步進電機運行的穩(wěn)定性表現(xiàn)更優(yōu).

表2 細分數(shù)變化與驅(qū)動效果Tab.2 Influence of subdivision variation on driving effect

調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度在45°～180°范圍內(nèi)變化，并對電機進行測試，發(fā)現(xiàn)在不同旋轉(zhuǎn)角度下，DQ-28HB30A型步進電機運行偶有失步現(xiàn)象，電機失步率隨旋轉(zhuǎn)角度變化有輕微波動；DQ-42HB34A型電機在不同旋轉(zhuǎn)角度下運轉(zhuǎn)正常.由表3可知，在不同旋轉(zhuǎn)角度下，DQ-42HB34A型步進電機運行的穩(wěn)定性表現(xiàn)更優(yōu).

表3 旋轉(zhuǎn)角變化與驅(qū)動效果Tab.3 Influence of rotation angle variation on driving effect

綜上實驗結(jié)果表明，脈沖頻率、驅(qū)動器細分數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度對電機運行均有一定影響.在該控制系統(tǒng)下，型號為DQ-42HB34A的步進電機在不同頻率、不同驅(qū)動器細分數(shù)、不同旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)下均能取得不錯的驅(qū)動效果.型號為DQ-28HB30A的步進電機在不同頻率、不同驅(qū)動器細分數(shù)、不同旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)下驅(qū)動效果均不及DQ-42HB34A型步進電機.因此，型號為DQ-42HB34A的步進電機更適用于本種子分選控制系統(tǒng).在脈沖頻率為500 Hz、細分數(shù)為200、旋轉(zhuǎn)角度為90°時，采用DQ-42HB34A型步進電機的控制系統(tǒng)其失步率為2%.在設(shè)備其他部分運行效率理想的情況下，該參數(shù)下理論上單個電機每秒最高可分選10粒種子，本控制系統(tǒng)由6臺電機組成，計算可知該控制系統(tǒng)種子分選效率理論最高值為3 600粒/分，漏選約72粒.分選受限于種子品級識別速度及其他因素，實際分選效率將有所變化.經(jīng)過多次調(diào)試，該控制系統(tǒng)功能正常，理論上能夠達到種子分選設(shè)備對控制系統(tǒng)的要求.

4 結(jié) 論

本文基于圖形化編程語言LabVIEW，利用PCI控制板卡和步進電機設(shè)計了一款種子分選控制系統(tǒng).該系統(tǒng)采用成熟的商用軟件和硬件，設(shè)計和調(diào)試高效便捷，交互界面簡潔清晰，易于用戶二次開發(fā)，能有效減少開發(fā)工作量，縮短開發(fā)時間.實驗結(jié)果表明，隨著脈沖頻率升高，DQ-28HB30A型和DQ-42HB34A型電機運行穩(wěn)定性均有所下降；隨著驅(qū)動器細分數(shù)升高，DQ-28HB30A型電機運行穩(wěn)定性有輕微波動，DQ-42HB34A型電機運行穩(wěn)定性無明顯變化；隨旋轉(zhuǎn)角度增大，DQ-28HB30A型電機運行穩(wěn)定性有輕微波動，DQ-42HB34A型電機運行穩(wěn)定性無明顯變化.理想工況下，在控制脈沖頻率為500 Hz、細分數(shù)為200、旋轉(zhuǎn)角度為90°時，使用DQ-42HB34A型步進電機，其系統(tǒng)失步率在2%以下，理論分選效率最高為3 600粒/分，分選漏選約72粒，驗證了采用LabVIEW在種子分選設(shè)備中應用的可行性，為進一步深入研究提供了參考.