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【摘 要】本文针对传统光电式数粒机存在的缺点，利用DSP与线阵CCD作为检测计数元件，设计了更为先进的数粒机系统。本数粒机系统的检测元件远离被检药粒，受粉尘影响大大减少；设计了检测通道，能够检测计数各种形状尺寸的药粒；采用线阵CCD作为图像捕捉元件，速度快、无边缘灵敏度低的问题；采用双镜头扫描，用来药品计数与颗粒数粒校验，消除传感器多计或漏计引起的瓶装量误差。
【关键词】药品包装；DSP；线阵CCD；数粒机
1.引言
随着医药行业的快速发展，除了医疗技术的发展外，也离不开大量先进医疗设备的发展，特别是颗粒药品在医药领域的大量使用，使制药设备在医疗设备中成为主要方面。制药设备概括地分为两类，即制药设备和药品包装设备。由于药品的形态、包装方式、包装物形态的组合不同，相应包装工艺的包装设备也不同。在包装上，颗粒剂基本采用瓶包装，片剂和胶囊常用板状泡罩包装，如果数量众多也会采用瓶或袋包装。
在瓶包装中，药品装瓶通常采用两种方式，计数和称重。数粒式颗粒包装方式由于工序更为简洁，因而得到广泛的采用。目前，药品数粒包装占整个固体包装市场80%以上的市场份额[1]。
本文针对传统光电式数粒机存在的缺点，利用DSP与线阵CCD作为检测计数元件，设计了更为先进的数粒机系统。本数粒机系统的检测元件远离被检药粒，受粉尘影响大大减少；设计了检测通道，能够检测计数各种形状尺寸的药粒；采用线阵CCD作为图像捕捉元件，速度快、无边缘灵敏度低的问题；采用双镜头扫描，用来药品计数与颗粒数粒校验，消除传感器多计或漏计引起的瓶装量误差。
2.数粒机电控系统的硬件电路设计
药品数粒机的电控系统主要有四大系统组成，分别是：药粒喂料系统、颗粒检测计数系统、药品装瓶系统和人机界面系统等。该电控系统电路设计主要包括CCD光源的选择、CCD光源的布置、药品颗粒检测通道的设计和硬件电路的设计等。
本系统采用数字信号处理器DSP作为主控制芯片，是控制系统的核心，将药品喂料、颗粒检测计数、药品装瓶系统及人机界面集成在一起。图2-1即为电控系统框图。
由图，药品喂料机构的控制系统由调压模块和9313非易失性数控电位器组成，而这两者最终受控于DSP。DSP的通过GPIO口控制9313，进而控制调压模块，从而控制振动料斗的送料速度。
颗粒检测计数系统由光源、CCD和CPLD三部分组成。复杂可编程逻辑器件CPLD用于驱动CCD进行检测和计数，光源的电源由驱动板提供。图像传感器CCD将FC、SP、U0这3路信号接入DSP，而DSP依照CCD的FC、SP时序信号，通过ADC转换器将CCD的U0进行模数转换，将药品的图像信号转换成数字信号进行计算，对药品进行计数。
药品装瓶系统由四个机构组成。分别是药瓶检测光电传感器、通道开关阀门、瓶限位开关和药瓶履带电机。
2.1药品喂料系统设计
药品喂料系统利用振动原理来实现，采用三级振动料斗来运送药品颗粒。振动料斗的送料速度与振动源的振动频率及振幅决定。本系统采用全隔离单相交流调压一体化模块（以下简称调压模块）来调节振幅，调压模块规格为220V、25A。调压模块是集随机型固体继电器、随机型SSR移相触发器和同步变压器（兼作模块内部电源变压器）于一体而成[2]。
振动源的振动频率和振幅的控制是通过改变9313的电阻值来实现的，改变9313电阻值，使得振动料斗的输入电压改变，从而改变振动料斗的振幅，喂料速度也随之发生变化。9313位于DSP板上，对于用户而言，只需通过触摸屏设定好9313的电阻阵列数，就可以改变9313的电阻值，改变喂料速度。
2.2颗粒检测计数系统设计
颗粒检测技术的原理主要是通过CCD传感器对药品拍照，将药品的图像转换成数字信号，数字图像处理器DSP将这个信号进行计算，判别是否是药品的图像，对药品进行检测和计数。为了提高检测精度，本系统设计了两组颗粒检测计数系统，每组检测系统都有8个通道。同时还安装了两个CCD镜头，一个用于检测计数，另一个用于颗粒校验计数。
检测计数系统的传感器用线阵CCD，它是电子耦合器件（Charge-Coupled Device）的简称，是一种以电荷量表示光强大小，用耦合方式传输电荷量的器件。它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等优点[3]。
由于DSP的ADC转换时序和CCD的信号采集时序不同步，所以采用CPLD来控制信号的时序，CPLD的型号是EPM7064SLC44-10。图2-2是CCD驱动器工作框图。图中信号驱动部分是一块7404bh芯片，将某些信号进行了反相。CCD驱动器对外有FC（行同步脉冲）、SP（像元同步脉冲）和U0（模拟信号输出）三个接口。CPLD中的SH、RS、CP、Ф1、Ф2和Ф2B和CCD相连，用来驱动CCD； FC、SP两路输出脉冲是用来提供U0进行AD转换的时序。
本系统中，DSP作为检测计数系统的图像处理部件，CCD作为检测计数系统的传感器部件，此两者是检测计数系统的核心部件.数粒机工作时，CCD以每秒488帧的频率对检测通道进行扫描，DSP则要将CCD扫描到的图像信号进行处理。DSP所在的DSP板和CCD板是分开的，他们之间通过软线连接.DSP板与CCD板接线图见图2-3。
CCD板电源由DSP板提供，图中引脚5电压为12V，与CCD芯片引脚OD相连，作为CCD芯片电源；引脚4电压为5V，用于给CCD板上的其它芯片供电.CCD板输出信号FC、SP、U0分别与DSP的GPIOA5、ADCSOC以及ADCINTA0这三个引脚相连，DSP根据信号FC、SP的时序对U0信号进行AD转换，具体过程在软件部分有详述。为了抗干扰的需要，DSP板与CCD板间连接了多根地线。 3.系统软件设计
3.1阀门控制
振动料斗通过调压模块控制，而DSP通过控制X9313来控制调压模块的电压输出，由此达到控制振动料斗的目的.X9313的INC、U/D、CS三个引脚分别与DSP的GPIOB13、GPIOB14、GPIO15三个I/O相连，三个I/O口均配置成输出.程序中同时设置了两个变量New_value、Old_value，New_value表示本次调整变阻器的目标值，由触摸屏通过通讯设定，Old_value表示当前变阻器值。通过比较这两个值的大小来确定U/D值，即是增大变阻器值（U/D=1），还是减小变阻器值（U/D=0）；同时也确定了进行几次INC操作，即将变阻器值增大或减小多少。在每次给INC置高置低的过程中要注意加入延时，因为振动料斗不是马上就能有反映的，延时时间要根据具体调试确定.在结束操作后，要将New_value的值赋给Old_value，作为下一次操作的当前值.各引脚的值的改变通过设置GPBDAT寄存器相应位的值来改变。
驱动板上提供了12路输出，分别由DSP的GPIOB0～GPIOB11控制，将I/O口置1，即可关闭阀门。初始化时，将各I/O口配置成输出，并通过GPBDAT寄存器将各个相应位置0，使阀门处于打开状态.要对阀门操作时，只需给GPBTOGGLE寄存器相应位写1，即可实现阀门的开关。
3.2 DSP数据采集与转换
系统光路产生的模拟信号通过黑白线阵CCD进行采集，采集的信号为模拟量，要经过A/D转换成为数字量后，DSP才能进行数据处理。本系统采用的DSP TMS320F2812自带高速A/D模块，因此就直接使用DSP对信号进行A/D转换。
TMS320F2812提供多个触发源启动A/D转换：软件立即启动、事件管理器A、事件管理器B、外部引脚。TMS320F22812的ADC外部引脚为ADCSOC，此引脚是多功能复用引脚，与GpIOE1、XINT2是同个引脚，通过配置GPEMUX寄存器来选择具体功能。当GPEMUX的相应位被配置成1时，此引脚即被作为外设功能使用。如果外设功能作为XINT2使用，则可通过配置相关寄存器来配置是否使能中断，以及中断触发方式是上升沿还是下降沿触发；如果作为ADCSOC使用时，只需将引脚配置成外设功能，而不需要进行配置其它寄存器，并且只能是下降沿触发，也就是说，将SP信号接到ADCSOC引脚上，并配置好相关ADC寄存器，那么在SP的下降沿将启动A/D转换。但只有在SP的上升沿时启动A/D转换，才能得到正确的像元信息。因此，在硬件电路上增加了一块7404芯片，用来将SP信号进行反相，这样就可以通过SP启动A/D转换，并且得到的转换结果是正确的像元信息，在A/D转换结束后，将触发ADCINT中断，因此可以通过中断的方式将转换结果读出。
CCS是用户进行DSP程序开发必不可少的工具，程序员在熟悉CCS的基础上才可以进行程序开发。
CCS提供需多的调试工具，对于软件的调试很有帮助，图形观察就是其中之一.由于调试中要经常观察CCD一帧的图像，因此需要一个方便的图形观察工具，CCS中就提供了图形观察工具，图形显示窗口中的图形数据来源于DSP进行AD转换后的CCD一帧数据，共2048个，对应CCD的2048个有效像元。DSP进行AD转换后又将数据做了右移4位的处理，因此数据最大值为255，据此将幅值坐标最大值定位256。
4.总结展望
通过该系统的设计和使用，对颗粒药品的包装有一个比较好的效果。同时随着CCD技术的发展和DSP芯片的不断提高，未来的数粒机将可以识别胶囊变形，表面缺陷等不合格要素。另外，将核心的光电数粒技术与塑料袋立式包装、农业种子包装相结合，可用于糖果类食品农业类的种子等。可以肯定，今后的数粒技术研究和应用一定会取得更大的发展，必将为我国包装行业做出巨大贡献[4][5]。
参考文献：
[1] 丁维扬，冯首春.药品颗粒数粒技术发展及应用.机电工程技术，2006，35（4）：80-82.
[2] 周召发，张志利，马福禄；基于线阵CCD的三自由度定位测量[J]；计量技术；2001年10期.
[3] 孙福佳，李厦，徐航晖； 基于CCD传感器和DSP的数粒机系统设计[J]；传感器与微系统；2008年4期.
[4] Kye Weon Kim， Y S Yang， C S Chun etc. Development of the inspection system of defects on a CMP （Chemical Mechanical Polishing） pad. Semiconductor Manufacturing Symposium，2001，（10）：415-417.
[5] F J He， R J Zhang， Z J Du etc.Non-contact Measurement of Damaged External Tapered Thread Based on Linear Array CCD. Journal of Physics， 2006，48：676-680.
【关键词】药品包装；DSP；线阵CCD；数粒机
1.引言
随着医药行业的快速发展，除了医疗技术的发展外，也离不开大量先进医疗设备的发展，特别是颗粒药品在医药领域的大量使用，使制药设备在医疗设备中成为主要方面。制药设备概括地分为两类，即制药设备和药品包装设备。由于药品的形态、包装方式、包装物形态的组合不同，相应包装工艺的包装设备也不同。在包装上，颗粒剂基本采用瓶包装，片剂和胶囊常用板状泡罩包装，如果数量众多也会采用瓶或袋包装。
在瓶包装中，药品装瓶通常采用两种方式，计数和称重。数粒式颗粒包装方式由于工序更为简洁，因而得到广泛的采用。目前，药品数粒包装占整个固体包装市场80%以上的市场份额[1]。
本文针对传统光电式数粒机存在的缺点，利用DSP与线阵CCD作为检测计数元件，设计了更为先进的数粒机系统。本数粒机系统的检测元件远离被检药粒，受粉尘影响大大减少；设计了检测通道，能够检测计数各种形状尺寸的药粒；采用线阵CCD作为图像捕捉元件，速度快、无边缘灵敏度低的问题；采用双镜头扫描，用来药品计数与颗粒数粒校验，消除传感器多计或漏计引起的瓶装量误差。
2.数粒机电控系统的硬件电路设计
药品数粒机的电控系统主要有四大系统组成，分别是：药粒喂料系统、颗粒检测计数系统、药品装瓶系统和人机界面系统等。该电控系统电路设计主要包括CCD光源的选择、CCD光源的布置、药品颗粒检测通道的设计和硬件电路的设计等。
本系统采用数字信号处理器DSP作为主控制芯片，是控制系统的核心，将药品喂料、颗粒检测计数、药品装瓶系统及人机界面集成在一起。图2-1即为电控系统框图。
由图，药品喂料机构的控制系统由调压模块和9313非易失性数控电位器组成，而这两者最终受控于DSP。DSP的通过GPIO口控制9313，进而控制调压模块，从而控制振动料斗的送料速度。
颗粒检测计数系统由光源、CCD和CPLD三部分组成。复杂可编程逻辑器件CPLD用于驱动CCD进行检测和计数，光源的电源由驱动板提供。图像传感器CCD将FC、SP、U0这3路信号接入DSP，而DSP依照CCD的FC、SP时序信号，通过ADC转换器将CCD的U0进行模数转换，将药品的图像信号转换成数字信号进行计算，对药品进行计数。
药品装瓶系统由四个机构组成。分别是药瓶检测光电传感器、通道开关阀门、瓶限位开关和药瓶履带电机。
2.1药品喂料系统设计
药品喂料系统利用振动原理来实现，采用三级振动料斗来运送药品颗粒。振动料斗的送料速度与振动源的振动频率及振幅决定。本系统采用全隔离单相交流调压一体化模块（以下简称调压模块）来调节振幅，调压模块规格为220V、25A。调压模块是集随机型固体继电器、随机型SSR移相触发器和同步变压器（兼作模块内部电源变压器）于一体而成[2]。
振动源的振动频率和振幅的控制是通过改变9313的电阻值来实现的，改变9313电阻值，使得振动料斗的输入电压改变，从而改变振动料斗的振幅，喂料速度也随之发生变化。9313位于DSP板上，对于用户而言，只需通过触摸屏设定好9313的电阻阵列数，就可以改变9313的电阻值，改变喂料速度。
2.2颗粒检测计数系统设计
颗粒检测技术的原理主要是通过CCD传感器对药品拍照，将药品的图像转换成数字信号，数字图像处理器DSP将这个信号进行计算，判别是否是药品的图像，对药品进行检测和计数。为了提高检测精度，本系统设计了两组颗粒检测计数系统，每组检测系统都有8个通道。同时还安装了两个CCD镜头，一个用于检测计数，另一个用于颗粒校验计数。
检测计数系统的传感器用线阵CCD，它是电子耦合器件（Charge-Coupled Device）的简称，是一种以电荷量表示光强大小，用耦合方式传输电荷量的器件。它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等优点[3]。
由于DSP的ADC转换时序和CCD的信号采集时序不同步，所以采用CPLD来控制信号的时序，CPLD的型号是EPM7064SLC44-10。图2-2是CCD驱动器工作框图。图中信号驱动部分是一块7404bh芯片，将某些信号进行了反相。CCD驱动器对外有FC（行同步脉冲）、SP（像元同步脉冲）和U0（模拟信号输出）三个接口。CPLD中的SH、RS、CP、Ф1、Ф2和Ф2B和CCD相连，用来驱动CCD； FC、SP两路输出脉冲是用来提供U0进行AD转换的时序。
本系统中，DSP作为检测计数系统的图像处理部件，CCD作为检测计数系统的传感器部件，此两者是检测计数系统的核心部件.数粒机工作时，CCD以每秒488帧的频率对检测通道进行扫描，DSP则要将CCD扫描到的图像信号进行处理。DSP所在的DSP板和CCD板是分开的，他们之间通过软线连接.DSP板与CCD板接线图见图2-3。
CCD板电源由DSP板提供，图中引脚5电压为12V，与CCD芯片引脚OD相连，作为CCD芯片电源；引脚4电压为5V，用于给CCD板上的其它芯片供电.CCD板输出信号FC、SP、U0分别与DSP的GPIOA5、ADCSOC以及ADCINTA0这三个引脚相连，DSP根据信号FC、SP的时序对U0信号进行AD转换，具体过程在软件部分有详述。为了抗干扰的需要，DSP板与CCD板间连接了多根地线。 3.系统软件设计
3.1阀门控制
振动料斗通过调压模块控制，而DSP通过控制X9313来控制调压模块的电压输出，由此达到控制振动料斗的目的.X9313的INC、U/D、CS三个引脚分别与DSP的GPIOB13、GPIOB14、GPIO15三个I/O相连，三个I/O口均配置成输出.程序中同时设置了两个变量New_value、Old_value，New_value表示本次调整变阻器的目标值，由触摸屏通过通讯设定，Old_value表示当前变阻器值。通过比较这两个值的大小来确定U/D值，即是增大变阻器值（U/D=1），还是减小变阻器值（U/D=0）；同时也确定了进行几次INC操作，即将变阻器值增大或减小多少。在每次给INC置高置低的过程中要注意加入延时，因为振动料斗不是马上就能有反映的，延时时间要根据具体调试确定.在结束操作后，要将New_value的值赋给Old_value，作为下一次操作的当前值.各引脚的值的改变通过设置GPBDAT寄存器相应位的值来改变。
驱动板上提供了12路输出，分别由DSP的GPIOB0～GPIOB11控制，将I/O口置1，即可关闭阀门。初始化时，将各I/O口配置成输出，并通过GPBDAT寄存器将各个相应位置0，使阀门处于打开状态.要对阀门操作时，只需给GPBTOGGLE寄存器相应位写1，即可实现阀门的开关。
3.2 DSP数据采集与转换
系统光路产生的模拟信号通过黑白线阵CCD进行采集，采集的信号为模拟量，要经过A/D转换成为数字量后，DSP才能进行数据处理。本系统采用的DSP TMS320F2812自带高速A/D模块，因此就直接使用DSP对信号进行A/D转换。
TMS320F2812提供多个触发源启动A/D转换：软件立即启动、事件管理器A、事件管理器B、外部引脚。TMS320F22812的ADC外部引脚为ADCSOC，此引脚是多功能复用引脚，与GpIOE1、XINT2是同个引脚，通过配置GPEMUX寄存器来选择具体功能。当GPEMUX的相应位被配置成1时，此引脚即被作为外设功能使用。如果外设功能作为XINT2使用，则可通过配置相关寄存器来配置是否使能中断，以及中断触发方式是上升沿还是下降沿触发；如果作为ADCSOC使用时，只需将引脚配置成外设功能，而不需要进行配置其它寄存器，并且只能是下降沿触发，也就是说，将SP信号接到ADCSOC引脚上，并配置好相关ADC寄存器，那么在SP的下降沿将启动A/D转换。但只有在SP的上升沿时启动A/D转换，才能得到正确的像元信息。因此，在硬件电路上增加了一块7404芯片，用来将SP信号进行反相，这样就可以通过SP启动A/D转换，并且得到的转换结果是正确的像元信息，在A/D转换结束后，将触发ADCINT中断，因此可以通过中断的方式将转换结果读出。
CCS是用户进行DSP程序开发必不可少的工具，程序员在熟悉CCS的基础上才可以进行程序开发。
CCS提供需多的调试工具，对于软件的调试很有帮助，图形观察就是其中之一.由于调试中要经常观察CCD一帧的图像，因此需要一个方便的图形观察工具，CCS中就提供了图形观察工具，图形显示窗口中的图形数据来源于DSP进行AD转换后的CCD一帧数据，共2048个，对应CCD的2048个有效像元。DSP进行AD转换后又将数据做了右移4位的处理，因此数据最大值为255，据此将幅值坐标最大值定位256。
4.总结展望
通过该系统的设计和使用，对颗粒药品的包装有一个比较好的效果。同时随着CCD技术的发展和DSP芯片的不断提高，未来的数粒机将可以识别胶囊变形，表面缺陷等不合格要素。另外，将核心的光电数粒技术与塑料袋立式包装、农业种子包装相结合，可用于糖果类食品农业类的种子等。可以肯定，今后的数粒技术研究和应用一定会取得更大的发展，必将为我国包装行业做出巨大贡献[4][5]。
参考文献：
[1] 丁维扬，冯首春.药品颗粒数粒技术发展及应用.机电工程技术，2006，35（4）：80-82.
[2] 周召发，张志利，马福禄；基于线阵CCD的三自由度定位测量[J]；计量技术；2001年10期.
[3] 孙福佳，李厦，徐航晖； 基于CCD传感器和DSP的数粒机系统设计[J]；传感器与微系统；2008年4期.
[4] Kye Weon Kim， Y S Yang， C S Chun etc. Development of the inspection system of defects on a CMP （Chemical Mechanical Polishing） pad. Semiconductor Manufacturing Symposium，2001，（10）：415-417.
[5] F J He， R J Zhang， Z J Du etc.Non-contact Measurement of Damaged External Tapered Thread Based on Linear Array CCD. Journal of Physics， 2006，48：676-680.