王東云,陶雪華,胡 蓉

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

異纖在線檢測清除裝置的設(shè)計

王東云,陶雪華,胡 蓉

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

設(shè)計了一種異纖清除裝置,不僅選用新型的照明光源和線陣CCD攝像機(jī)進(jìn)行高速圖像采集,還選用尤其適合復(fù)雜算法的數(shù)據(jù)處理芯片DM 642進(jìn)行異纖識別與定位.并且在FPGA內(nèi)部設(shè)計了嵌入式緩沖FIFO,實現(xiàn)了與DM 642進(jìn)行無縫接口,解決了高速圖像數(shù)據(jù)采集與實時數(shù)據(jù)處理的矛盾,提高了異纖識別率.該異纖清除裝置現(xiàn)已成功應(yīng)用于在某異纖清除項目中,異纖識別率在90%以上.

異纖在線檢測清除;識別與定位;嵌入式緩沖FIFO

我國是產(chǎn)棉大國,由于種種原因,待加工原棉中往往混有毛發(fā)、毛纖維等雜質(zhì),統(tǒng)稱為異性纖維.夾帶的異性纖維比例雖小,危害卻很大.不少工廠采用人工挑揀的辦法,費時費力,效果也不好.隨著異性纖維檢測系統(tǒng)的出現(xiàn),越來越多的廠家開始在軋花工藝中采用異性纖維自動檢測系統(tǒng),代替人工分揀,不僅大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量,也降低了生產(chǎn)成本.國外檢測設(shè)備比較成熟但產(chǎn)品價格高,而國內(nèi)的中小型棉紡廠家購買力不強(qiáng).近年來國內(nèi)也出現(xiàn)了許多異纖清除產(chǎn)品,但是大多參照國外廠家的早期產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā),異纖識別率低,落棉含雜率高,效果仍不理想[1-3].因此,如何提高異纖識別率、降低落棉含雜率,是目前異性纖維檢測系統(tǒng)急需解決的問題.本文在綜合考慮了主要技術(shù)指標(biāo)后,提出了解決辦法,提高了圖像采集精度和實時識別速度.

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

開發(fā)異性纖維智能檢測裝置的目的是清除那些與棉纖維性能接近的異性纖維及被污染的纖維,除此之外,麻繩、布片等雜質(zhì)也在清除的范圍之內(nèi).系統(tǒng)的工作原理如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)原理圖

棉花進(jìn)入傳送管道,在照明系統(tǒng)的均勻照射下,經(jīng)線陣CCD攝像機(jī)高速掃描,將采集到的圖像傳輸?shù)角度胧娇刂破?由控制器的圖像處理模塊提取特征,識別出異性纖維及雜質(zhì),并計算分析定位.當(dāng)異性纖維或雜質(zhì)通過除雜區(qū)時,上方橫向排列的高壓噴嘴根據(jù)雜質(zhì)的位置,控制器通過采用的控制策略驅(qū)動相應(yīng)的噴嘴將雜質(zhì)噴除.

為了有效地進(jìn)行識別,裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠保證原棉傳送速度穩(wěn)定,被傳送的原棉要盡可能薄地平鋪在傳送道中,以保證雜質(zhì)能暴露在表面.

異纖清除是一種在線檢測以及自動去除原棉中異性纖維或色纖的裝置,實時性非常強(qiáng),主要考慮如下幾個主要的技術(shù)指標(biāo):

(1)識別率:指識別出雜質(zhì)與原棉實際含有雜質(zhì)的數(shù)量之比,它代表了機(jī)器的識別能力.

(2)落棉含雜率:是指被清除掉的棉花中含正常原棉的比率.由于棉花纖維之間存在作用力,清除裝置在擊中雜質(zhì)時一定會將周圍的部分棉花一同打落,因此落棉含雜率代表了機(jī)器為實現(xiàn)除雜對原料的浪費程度,作為評價機(jī)器性能的標(biāo)準(zhǔn).

為了適應(yīng)實際工業(yè)生產(chǎn)的需要,裝置應(yīng)達(dá)到很高的識別率和落棉含雜率,高速運行以滿足產(chǎn)量要求.

2 異纖圖像采集

2.1 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)有2個主要的要求:

(1)光亮度高.現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)在線檢測時,為滿足生產(chǎn)速度要求,線掃描CCD曝光時間極其短暫,一般為幾微秒.這對為線掃描CCD照明的線性光源的光亮度提出了苛刻的要求.一般照明用光源無法達(dá)到這一亮度等級,采用一般照明光源會使得CCD采集到的圖像昏暗不清晰,對比度極低,邊緣不清晰,不利于在線自動檢測,甚至?xí)斐烧`檢,影響生產(chǎn)效率和成品率,只有采用超高亮度的線性光源才能獲得明亮、對比度高的圖像.

(2)均勻性好.LA系列采用聚光透鏡以增加光照度,并把光束寬度控制在合理范圍,很好地權(quán)衡了安裝的方便程度以及外部震動導(dǎo)致光束位置的偏移.線掃描CCD采集到的圖像質(zhì)量,很大程度上取決于線性光源一維方向上的均勻度,同時考慮到工作過程中震動對光束的影響,對光束的中心到邊緣上的均勻度要求也很高,不能因為光源位置的微小偏移而對采集圖像的質(zhì)量造成巨大的影響.

這里采用的是 Morlux公司LA系列超高亮度LED發(fā)光體,在工作距離內(nèi)可以達(dá)到150 000 lux的光照度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他同類產(chǎn)品,為CCD采集到高對比度的圖像提供了有力的支持,是線掃描CCD的絕佳照明光源.

2.2 圖像信號采集

系統(tǒng)要求在線檢測速率達(dá)到5 000線每秒,每線2 098個點,因此對數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸速度和處理速度提出了較高的要求.本設(shè)計使用的相機(jī)是德國Basler公司的L 304kc,它的視頻輸出接口為camera link格式.

2.2.1 camera link接口原理

Camera Link是一個工業(yè)高速串口數(shù)據(jù)和連接協(xié)議,是多家攝像頭供應(yīng)商和圖像采集公司在2000年10月聯(lián)合推出的,旨在簡化CCD和圖像采集之間的連接,如圖2所示.Camera Link可為高速、高精度的數(shù)字?jǐn)z像頭提供簡單、靈活的連接.它是由一對驅(qū)動器和接收器組成,其工作方式為驅(qū)動器接收28路數(shù)據(jù)信號和1路時鐘信號,數(shù)據(jù)以7∶1被串行化為4路數(shù)據(jù)流,加上1路時鐘,共有由5路LVDS驅(qū)動器和接收器驅(qū)動.接收器接收5路LVDS,并將它們重新轉(zhuǎn)化為28路數(shù)據(jù)信號和1路時鐘信號.

圖2 Camera link工作原理

其中,Camera Link信號分為4類:

(1)圖像數(shù)據(jù)信號.圖像信號分為24位數(shù)據(jù)信號和4位數(shù)據(jù)有效信號.數(shù)據(jù)有效信號為 FVAL、LVAL、DVAL和Spare,它們分別是幀有效、行有效、數(shù)據(jù)有效和保留信號.本相機(jī)為線陣CCD相機(jī),所以,不需要定義幀有效,只用LVAL和DVAL.

(2)相機(jī)控制信號.在Camera L ink接口中有4條LVDS線對用來實現(xiàn)對相機(jī)的控制,分別為Camera Control1(CC1) 、Camera Control2(CC2) 、Camera Control3(CC3) 、Camera Control4(CC4),由相機(jī)制造商自由定義各控制信號的功能以滿足他們的特殊產(chǎn)品.本設(shè)計的相機(jī)只使用了CC1,定義為外部時鐘同步信號(ExSYNC),用來選擇曝光模式以控制行讀出和曝光時間.

(3)異步串行通信信號.相機(jī)接口中有2對LVDS信號用于相機(jī)和圖像采集卡之間的異步串行通信,分別是Ser TFG(相機(jī)串行輸出端至圖像采集系統(tǒng)串行輸入端)、Ser TC(圖像采集卡串行輸出端至相機(jī)串行輸入端).

(4)電源信號.Camera Link連接器不提供電源,而是通過單獨的電纜提供.Camera Link協(xié)議允許相機(jī)制造商自由定義電源連接器和相機(jī)的工作電流和電壓.我們這里用的是+12VDC.

2.2.2 camera link接口設(shè)計

由于L304kc彩色CCD線掃描攝像機(jī)輸出的是LVDS信號,需要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn) TTL/COM S數(shù)字RGB三色信號,無法直接和DSP的視頻端口進(jìn)行連接,這需要專門的接口電路進(jìn)行處理.接口處理電路包括2個過程:一是先根據(jù)信號的不同分別采用不同的轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行LVDS信號的解串和電平轉(zhuǎn)換;二是在FPGA內(nèi)部設(shè)計一個緩存FIFO,以便緩沖高速采集的視頻流.

(1)LVDS信號的解串與電平轉(zhuǎn)換.這里采用DS90CR288接收器實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的電平轉(zhuǎn)換與解串,在信號設(shè)計中,需要進(jìn)行終端匹配,以減少終端信號的反射,確保信號的完整性,提高信號的傳輸質(zhì)量.因此,在接收器的差分線對間跨接一個100Ω的電阻,系統(tǒng)也需要此終端電路來產(chǎn)生正常工作的差分電壓.圖3所示為MDR26與DS90CR288接口方案圖.

圖3 MDR26與DS90CR288接口

根據(jù) camera link接口原理,我們選擇DS90CR288芯片接收4路數(shù)據(jù)信號和1路時鐘信號,并將其轉(zhuǎn)化成28路 TTL電平數(shù)據(jù)傳送給FPGA.

同理,為了對相機(jī)進(jìn)行控制,我們選擇用DS90LV 017實現(xiàn)對相機(jī)的電平轉(zhuǎn)換控制.MDR26與DS90LV 017的接口設(shè)計方案如圖4所示:

圖4 MDR26與DS90LV 017的接口

我們選擇 DS90LV 019實現(xiàn)與相機(jī)間的串行通信,通過這個串口完成對相機(jī)的配置.它與MDR26之間的接口設(shè)計如圖5所示.

圖5 MDR26與DS90LV 019的接口

(2)緩存FIFO的設(shè)計如圖6所示.異纖清除對精度和速度有較高的要求,為了使系統(tǒng)做到高速數(shù)據(jù)采集與實時數(shù)據(jù)處理,需要在相機(jī)與DSP間加入緩沖設(shè)備,而且DSP的EM IF提供了對FIFO的無縫接口能力,因此本系統(tǒng)考慮在 FPGA內(nèi)部設(shè)計嵌入式緩沖存儲器的方案[4].異步FIFO存儲器有以下優(yōu)點:有2個端口分別進(jìn)行讀寫訪問,讀寫速率可以不同,讀寫操作可同時進(jìn)行而且不必同步;數(shù)據(jù)的寫入和讀出遵循先進(jìn)先出的原則,讀寫的次序是確定的,讀寫地址完全有FIFO內(nèi)的地址指針確定,無需提供外部地址.在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)FIFO的設(shè)計方案體現(xiàn)了本設(shè)計的優(yōu)點.

寫使能信號有效時,在每個寫時鐘WCL K的上升沿都有一個數(shù)據(jù)被存入 FIFO;寫滿一半 FIFO后,HF滿信號觸發(fā)中斷,FIFO映射到DM 642的CE3空間,寫使能有效,DM 642以EDMA方式讀這寫滿的一半FIFO;同時另一半FIFO繼續(xù)寫入數(shù)據(jù),讀寫相對獨立,實時性更強(qiáng).

圖6 FIFO緩沖器

3 異纖識別與定位

TM S320DM 642(簡稱 DM 642)是 TI公司 C6000系列的一款新型高性能專用數(shù)字處理芯片,其豐富的外圍接口使得它近乎是一個多媒體嵌入式系統(tǒng)的單芯片硬件平臺.系統(tǒng)選用DM 642作為異纖識別與定位的圖像處理器[5].

本系統(tǒng)在視頻圖像的處理過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),而DM 642內(nèi)部最多僅有 256 kB的 RAM,所以需要擴(kuò)展大容量的外部存儲器才能滿足數(shù)據(jù)處理的需要.A提供了4個彼此獨立的外部存儲接口CE[3:0],系統(tǒng)通過DM 642的 接口外部擴(kuò)展2片SDRAM,用于存儲程序、數(shù)據(jù)和緩存數(shù)字視頻信息,提供了對SDRAM的無縫接口,在CEO空間提供了64 bit寬的 SDRAM接口總線,把 2片 32位的SDRAM并接,實現(xiàn)CEO空間的64 bit存取.擴(kuò)展1片F(xiàn)lash存儲器用于固化程序和一些掉電后仍需保存的用戶數(shù)據(jù),為從 Flash啟動,將 Flash連接到CE1.

系統(tǒng)初始化,并設(shè)置好中斷、通道,然后等待中斷.當(dāng)中斷到來,采集到的圖像數(shù)據(jù)送入處理器,用戶算法作為任務(wù)線程嵌入DSP軟件系統(tǒng)中.此時,DSP自動將Flash存儲器中的程序自舉到DSP的內(nèi)部程序存儲區(qū),并開始執(zhí)行程序,調(diào)用用戶算法對緩存中的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行異纖識別.根據(jù)處理結(jié)果來判斷有無異纖,從而控制異纖清除機(jī)構(gòu)的動作.系統(tǒng)流程如圖7所示.

圖7 檢測流程圖

4 異纖清除執(zhí)行機(jī)構(gòu)

識別異性纖維的最終目的是為了有效地清除,當(dāng)識別裝置發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)時,經(jīng)過控制策略發(fā)出控制信息,該信息通過控制器向相應(yīng)位置的噴嘴發(fā)送指令,使其在指定的時間噴射氣流,將雜質(zhì)噴出.

根據(jù)棉花流的運動速度和異性纖維的識別初始位置進(jìn)行計算,這個時間和原棉的傳送速度決定了噴嘴的位置與攝像機(jī)之間的距離,關(guān)系到能否準(zhǔn)確、準(zhǔn)時地清除雜質(zhì).清除機(jī)構(gòu)采用高壓噴嘴進(jìn)行清除,為了有效清除棉流中異性纖維,我們將根據(jù)棉流寬度決定噴嘴的數(shù)量,噴嘴的控制可通過FPGA的I/O口進(jìn)行時序驅(qū)動.除雜裝置的設(shè)計主要包括噴嘴的安裝位置、排放數(shù)目、控制策略以及噴嘴大小和壓力的設(shè)計.高壓噴嘴的氣源壓力是否能夠滿足噴除異性纖維的壓力,輸棉管道的氣流速度是否恒定,以及速度的大小,對于圖像的采集、識別及定位有著重要的影響,因此這些參數(shù)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時都給予充分考慮.另外,整個檢測裝置的功耗也須在滿足系統(tǒng)性能的要求下,達(dá)到最小的功耗.

5 結(jié) 語

本設(shè)計針對系統(tǒng)的具體使用需要,采用了新型線陣CCD攝像機(jī),并針對該相機(jī)接口設(shè)計了專門的接口電路,而且采用FPGA與DSP相結(jié)合的方式來實現(xiàn)異纖的檢測,充分利用了二者在圖像處理方面的優(yōu)勢.目前已經(jīng)完成了上述圖像處理板的關(guān)鍵設(shè)計,并已成功應(yīng)用于某異纖清除項目中,異纖識別率在90%以上,適合于生產(chǎn)線速度為10 m/s的原棉工業(yè)檢測,創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益.

[1]石庚堯.淺談異性纖維撿出裝置[J].北京紡織,2003,24(3):51-53.

[2]李妙福.異纖在線檢測清除裝置的特征與應(yīng)用[J].上海紡織科技,2006,34(1):15-18.

[3]陸振挺,陳玉峰,張新英.異纖清除技術(shù)的發(fā)展探討[J].上海紡織科技,2008,36(1):15-17.

[4]宋燕星,袁峰,丁振良,應(yīng)用同步FIFO的高速圖像采集系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報,2006,27(6):1360-1631.

[5]韓非,胡春梅,李偉.TM S320C6000系列DSP開發(fā)應(yīng)用技巧[M].北京:中國電力出版社,2008.

The Design of the Foreign Fiber Detecting and Clearing Device

A foreign fiber detecting and clearing device is designed,w hich not only chose the new type of lighting and line-scan CCD camera as image acquisition,but also chose the DM 642 as image p rocessingmachine to recognize and locate foreign fiber.An embedded buffer FIFO is designed in the FPGA to meet glueless interface.It solves the contradiction betw een image acquisition and real time data p rocessing,also imp roves the fo reign recognition rate.The design has been used successfully in a p roject of foreign fiber clearing,and the foreign fiber recognition rate is as high as 90%.

foreign fiber detecting and clearing device;recognition and location;embedded buffer FIFO

WANGDong-yun,TAO Xue-hua,HU Rong
(Zhongyuan University of Techno logy,Zhengzhou 450007,China)

TP274.2

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2010.01.008

1671-6906(2010)01-0025-05

2009-12-21

鄭州市科技攻關(guān)項目(083SGYG25124-3)

王東云(1964-),男,湖南長沙人,教授,博士.