引言

在藥品包裝市場，制藥企業(yè)紛紛進(jìn)行GMP（Good Manufacturing Practices）藥品制造質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，研制先進(jìn)的藥片數(shù)粒機(jī)成為制藥企業(yè)發(fā)展的迫切需要?；?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/cpld/" target="_blank">CPLD和DSP設(shè)計了先進(jìn)的線陣CCD檢測系統(tǒng)，應(yīng)用于數(shù)粒機(jī)系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的PLC和光電頭檢測方案。

線陣CCD檢測系統(tǒng)是數(shù)粒機(jī)系統(tǒng)的核心，通過DSP將喂料、檢測計數(shù)、裝瓶系統(tǒng)及人機(jī)界面集成在一起。用戶利用觸摸屏設(shè)定數(shù)粒機(jī)的相關(guān)參數(shù)，啟動自動數(shù)粒功能；DSP檢測通道光照是否正常，內(nèi)部是否有異物，履帶是否有瓶；檢測結(jié)束后，DSP控制振動料斗送料，同時不斷地將CCD拍攝到的圖像信息讀入進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，判別檢測通道中是否有藥粒，并進(jìn)行計數(shù)；當(dāng)計數(shù)到用戶設(shè)定值時，DSP控制通道閥門，保證進(jìn)入瓶中的藥粒正確；裝瓶完畢，DSP控制瓶限位閥門將已裝好的瓶送走，同時將空瓶送入到裝瓶位置并定位，然后進(jìn)行下一輪計數(shù)動作。

使用線陣CCD檢測系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)粒機(jī)系統(tǒng)受粉塵影響少，適用于各種形狀尺寸藥粒的檢測計數(shù)，數(shù)粒速度快，解決了邊緣靈敏度低的問題，采用雙鏡頭掃描互相檢測消除了傳感器多計或漏計藥粒引起的瓶裝量誤差。

1．線陣CCD檢測系統(tǒng)的設(shè)計

線陣CCD檢測系統(tǒng)由光學(xué)鏡頭、CCD、CCD驅(qū)動板以及DSP電路板組成，其實物結(jié)構(gòu)如圖1所示。線陣CCD為東芝公司生產(chǎn)的TCD1209D，像敏單元2048個，最高工作頻率20MHz；驅(qū)動采用ALTERA公司生產(chǎn)的CPLD，型號為EPM7064SLC44；DSP芯片是TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812，數(shù)字信號處理器能力150MIPS，能實時地處理各種復(fù)雜算法，自帶12位A/D轉(zhuǎn)換，流水線最快轉(zhuǎn)換周期60ns，128KB的Flash存儲器。

檢測系統(tǒng)拍攝時，鏡頭和光源布局如圖2所示，TCD1209D像元尺寸為14μm× 14μm，則成像部分長度L為28.7mm；根據(jù)掃描需要，取水平視場約為FOV=280mm。則放大率M=v/u= L/FOV =28.7/280=0.1025；物距u為工作距離W，像距v為鏡頭到CCD的距離，設(shè)計的物距為35mm：故工作距離W=u= v/M= 35/0.01025 =341mm；由此可以計算出鏡頭焦距f=W/（M+2+1/M）=28.79mm；檢測系統(tǒng)使用定焦距光學(xué)鏡頭，取焦距為28mm。

CCD驅(qū)動板完成CCD信號的驅(qū)動，產(chǎn)生CCD像元同步、幀同步信號和經(jīng)過運放處理的視頻信號，DSP電路板是CCD檢測系統(tǒng)處理的核心，也是整個數(shù)粒機(jī)系統(tǒng)的核心，數(shù)粒機(jī)系檢測系統(tǒng)框圖如圖3所示。DSP利用自帶高速A/D模塊采集視頻信號，根據(jù)采集的數(shù)字信號判斷顆粒是否滿足要求，與人機(jī)界面通信，并完成振動漏斗、通道閥門、輸送線等的控制。

2．CCD驅(qū)動設(shè)計

CCD芯片TCD1209D采用CPLD芯片EPM7064S驅(qū)動，CCD驅(qū)動需要移位脈沖SH、復(fù)位脈沖RS、箝位脈沖CP、像元轉(zhuǎn)移脈沖輸入端Ф1、Ф2、Ф2B，DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換時序信號需要行同步脈沖FC與像元同步脈沖SP。使用40MHz晶振作為時鐘源，其中的Verilog關(guān)鍵程序如下：

assign SH= ~（（count《12）&（count》5））;

assign T2=~（（cycle《3） & （count》15） & （count《 15‘h3130）|（count==1））;

assign T2B=T2;

assign T1=~T2;

assign RS=~（（cycle==1） & （count》11）| （count==3））;

assign CP=~（（cycle==2） & （count》11）| （count==4））;

assign FC=~（（count《204） | （count》 15’h30cc））;

assign SP=（~（（cycle==4）|（cycle==5）|（cycle==0））） &FC;

利用ModelSim軟件的仿真波形如圖4所示，仿真結(jié)果滿足TCD1209時序。

輸出的視頻信號OS利用高速運放芯片AD8044AR進(jìn)行處理，輸出滿足采樣要求的0~3.3V電壓，配合同步信號FC和SP，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換獲取數(shù)字視頻信號。

3．DSP程序設(shè)計

TMS320F2812時鐘頻率為150MHz，12位A/D轉(zhuǎn)換模塊流水線最快轉(zhuǎn)換周期為60ns，單通道最快轉(zhuǎn)換周期為200ns。本系統(tǒng)中視頻時鐘信號頻率為1Mhz， 采用外部觸發(fā)模式，將同步信號SP接ADCSOC引腳［7］，配置高速A/D參數(shù)如下：

AdcRegs.ADCTRL1.bit.ACQ_PS = 8;

AdcRegs.ADCTRL1.bit.CPS = 0;

AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCCLKPS=4;

PieCtrl.PIEIER1.bit.INTx6 = 1;

PieVectTable.ADCINT = &AD_ISR;

DSP是CCD線陣檢測系統(tǒng)的核心，時鐘同步信號SP啟動DSP自帶的高速ADC模塊采集CCD模擬視頻輸出信號U0，得到數(shù)字信號， DSP根據(jù)幀同步信號FC，判斷一幀結(jié)束。在獲取一幀視頻數(shù)字信號后，DSP選擇數(shù)粒機(jī)的一個通道，并判斷像元灰度值，以此判斷是否有顆粒掉下。

4．系統(tǒng)運行結(jié)果

此CCD檢測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某藥品包裝企業(yè)數(shù)粒機(jī)，圖5為系統(tǒng)運行時檢測Φ6.4~6.8mm膠囊從第二通道落下時的灰度直方圖，其中橫坐標(biāo)表示CCD像元數(shù)，縱坐標(biāo)表示各像元的灰度值。從圖可知像素683處又明顯凸出，判斷有一顆藥粒下落，完成一次計數(shù)。

5. 結(jié)論

現(xiàn)場運行結(jié)果表明：CCD檢測系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，運行穩(wěn)定，能夠可靠地實現(xiàn)Φ2mm以上各種形狀的藥粒計數(shù)，計數(shù)速度可以達(dá)到3000-8000粒/分鐘。

本文作者創(chuàng)新點：用線陣CCD和DSP取代傳統(tǒng)的基于光電頭和PLC的檢測系統(tǒng)，本數(shù)粒機(jī)系統(tǒng)受粉塵影響少，適用于各種形狀尺寸藥粒的檢測計數(shù)，數(shù)粒速度快，解決了邊緣靈敏度低的問題，雙鏡頭掃描互相檢測消除了傳感器多計或漏計藥粒而引起的瓶裝量誤差。

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