周敬東 黃云朋 周明剛 等

摘要：為解決物料顏色分選過(guò)程中的圖像高速采集與處理問(wèn)題，采用TMS320F28335為核心處理芯片，以FPGA實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸與緩沖，分析并改進(jìn)圖像處理算法，并通過(guò)分選執(zhí)行模塊執(zhí)行分選，設(shè)計(jì)了基于DSP的色選機(jī)分選控制系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能達(dá)到設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：DSP；圖像處理；色選

中圖分類號(hào)：TN911.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）04-1021-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.051

Sorting Control System of Color Sorter Based on DSP

ZHOU Jing-dong，HUANG Yun-peng，ZHOU Ming-gang，CHEN Yuan，CHENG Chai，LI Min-hui

（Research and Design Institute of Agricultural Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： In order to solve the problem of high-speed image acquisition and processing in material color sorting process， the TMS320F28335 core is applied as a processing chip， the FPGA are used to realize the transmission and buffer of image data， analyzing and improving the image processing algorithms and perform sorting through sorting execution module， thus realize a image processing system based on the material color analysis and sorting of DSP. The test shows that the system is practical which can achieve the requirements of design.

Key words： DSP； image processing； color sorting

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于科研與生產(chǎn)領(lǐng)域[1]。色選是指通過(guò)顏色的區(qū)分來(lái)清除物料中的受損、異色粒以及其他雜質(zhì)[2，3]。DSP采用改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu)，具有硬件乘法器[4，5]，適用于數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的，在圖像處理系統(tǒng)中可以大大提高處理速度，在圖像處理過(guò)程中具有重要的作用。本研究在通過(guò)對(duì)分析現(xiàn)有色選機(jī)圖像處理系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前DSP在圖像處理領(lǐng)域的重要地位[6]，通過(guò)對(duì)色選機(jī)圖像處理系統(tǒng)硬件的改進(jìn)以及圖像處理算法的優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的色選機(jī)分選控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

基于DSP的色選機(jī)分選控制系統(tǒng)由圖像采集模塊[7]、圖像處理模塊[8]、分選執(zhí)行模塊、調(diào)試模塊4個(gè)部分組成，如圖1所示。其中，圖像采集模塊利用線陣CCD相機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)FPGA將圖像數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)緩存器FIFO；圖像處理模塊中DSP通過(guò)數(shù)據(jù)總線讀取FIFO中的圖像數(shù)據(jù)，調(diào)用圖像處理程序，對(duì)圖像進(jìn)行分割、識(shí)別；處理完成后，將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給分選執(zhí)行模塊，該模塊對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，控制分選機(jī)構(gòu)執(zhí)行分選；調(diào)試模塊在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中PC可通過(guò)CAN總線讀取DSP中的圖像數(shù)據(jù)，讀取完成后，調(diào)用模糊聚類程序計(jì)算分選閾值，隨后將分選閾值發(fā)送給DSP。

色選機(jī)圖像處理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要保證圖像數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，待分選物料從被相機(jī)捕捉到分選執(zhí)行完成的間隔時(shí)間只有4 ms，必須保證在該時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)圖像傳輸、圖像處理和分選控制。其中，圖像處理占用時(shí)間最長(zhǎng)，需要盡可能縮短圖像處理的時(shí)間，考慮到圖像傳輸以及分選控制的時(shí)間，圖像處理過(guò)程必須保證在3 ms以內(nèi)完成。在實(shí)際過(guò)程中，相機(jī)拍攝的圖片寬度為2 048像素，設(shè)定兩幀圖像處理1次。若需滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，則選用TI公司DSP（TMS320F28335）[9]，由于DSP采用改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu)、硬件乘法器，指令系統(tǒng)的流水線操作大大提高了運(yùn)算速度，在圖像處理方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 圖像處理模塊

圖像處理模塊是該系統(tǒng)的核心部分，包括DSP系統(tǒng)必需的電源控制、復(fù)位控制、時(shí)鐘系統(tǒng)以及JTAG接口外，還包括與調(diào)試模塊通訊的CAN總線驅(qū)動(dòng)電路、與分選控制系統(tǒng)通訊的RS485驅(qū)動(dòng)電路、圖像數(shù)據(jù)緩存器FIFO、DSP片外存儲(chǔ)器SDRAM以及FLASH（圖2）。

模塊所選用的DSP芯片是TI公司的TMS320F28335系列芯片，F(xiàn)IFO采用的是TI公司的SN74V245、512 K的SDRAM、256 K的FLASH。圖像在傳輸過(guò)程中，由FPGA到DSP之間經(jīng)過(guò)了圖像緩存器FIFO。FIFO的寫時(shí)鐘（WCLK）、寫使能（WEN）、復(fù)位信號(hào)（RS）由FPGA控制，讀時(shí)鐘（RCLK）、讀使能（REN）、輸出使能（OE）、數(shù)據(jù)滿（HF）由DSP控制。其中，HF連接到DSP中的DMA中斷信號(hào)，當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)寫滿后，HF變?yōu)楦唠娖?，啟?dòng)DMA中斷，DSP通過(guò)DMA通道將FIFO中的圖像數(shù)據(jù)讀入到SDRAM中，從而減少了DSP由于讀取圖像數(shù)據(jù)占用的時(shí)間，大大提高了DSP的圖像處理效率。

2.2 圖像采集模塊

在圖像采集模塊中，采用了彩色線陣CCD相機(jī)以及Altera公司的CycloneⅣ系列芯片的FPGA。線陣CCD相機(jī)采集圖像，并通過(guò)相機(jī)的Camera Link輸出口輸出。由于相機(jī)輸出信號(hào)不能直接由DSP接收，因而采用FPGA將該信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA轉(zhuǎn)換完成后傳輸給FIFO。FPGA在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，也可對(duì)待傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可降低DSP的處理負(fù)擔(dān)。

2.3 分選執(zhí)行模塊

分選執(zhí)行模塊包括與DSP通訊的RS485模塊、FPGA以及32路噴吹閥控制電路。DSP通過(guò)RS485模塊將分選處理結(jié)果發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA將對(duì)分選處理結(jié)果進(jìn)行解析，通過(guò)噴吹閥控制電路控制噴吹閥工作，從而執(zhí)行分選。如圖3所示，單個(gè)噴吹閥驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)際過(guò)程中使用的噴吹閥是100 V啟動(dòng)，12 V維持。EX111、EX110是12 V電壓輸入開關(guān)，由FPGA的I/O通過(guò)光耦PS2801控制，當(dāng)FPGA1、FPGA2控制噴吹閥1開啟和閉合，當(dāng)FPGA1、FPGA2均為低電平時(shí)，EX111輸入12 V，EX110輸入0 V，J1輸出100 V電壓，噴吹閥啟動(dòng)；當(dāng)FPGA1輸出高電平時(shí)，J1可由FPGA2控制輸出12 V或0 V，控制噴吹閥開啟和關(guān)閉。

2.4 調(diào)試模塊

調(diào)試模塊由PC以及USB轉(zhuǎn)CAN模塊組成。該模塊在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，可通過(guò)CAN總線讀取DSP采集到的樣本圖片，對(duì)其進(jìn)行特征提取，利用模糊聚類算法求出分選閾值，通過(guò)CAN總線將分選閾值以及其他的分選參數(shù)發(fā)送到DSP中。

3 算法與軟件設(shè)計(jì)

3.1 圖像處理算法

色選機(jī)在分選過(guò)程中，對(duì)相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行分割，分割為k個(gè)通道。分割完成后，逐步對(duì)每個(gè)分割區(qū)域內(nèi)的圖像單獨(dú)進(jìn)行處理。首先將分選圖片中在（x，y）處像素點(diǎn)的分量均減去背景在（x，y）處相應(yīng)分量，處理過(guò)程中將單個(gè)像素點(diǎn)處3個(gè)分量值均小于10的點(diǎn)當(dāng)作背景處理，排除分選過(guò)程中下落物料對(duì)光線的遮擋造成的背景像素值的擾動(dòng)。分量求差函數(shù)如式1所示。

r（x，y）=R（x，y）-Rb（x，y）g（x，y）=G（x，y）-Gb（x，y）b（x，y）=B（x，y）-Bb（x，y）x∈[■·i-1，■·（n-1）-1）；y∈[0，m）；i∈[1，k]；其中x，y，i均為整數(shù) （1）

其中，R（x，y），分選圖片在（x，y）處的像素點(diǎn)的紅色分量；G（x，y），分選圖片在（x，y）處的像素點(diǎn)的綠色分量；B（x，y），分選圖片在（x，y）處的像素點(diǎn)的藍(lán)色分量；Rb（x，y），背景在（x，y）處的像素點(diǎn)的紅色分量；Gb（x，y），背景在（x，y）處的像素點(diǎn)的綠色分量；Bb（x，y），背景在（x，y）處的像素點(diǎn)的藍(lán)色分量； r（x，y），處理后坐標(biāo)為（x，y）的像素點(diǎn)的紅色分量； g（x，y），處理后坐標(biāo)為（x，y）的像素點(diǎn)的藍(lán)色分量； b（x，y），處理后坐標(biāo)為（x，y）的像素點(diǎn)的綠色分量；k，分選通道數(shù)；i，表示第i個(gè)通道。

將式1中處理后像素點(diǎn)的分量與上位機(jī)傳輸?shù)姆诌x閾值進(jìn)行比較，對(duì)于滿足式2中條件的像素點(diǎn)計(jì)為有效點(diǎn)。比較通道內(nèi)所有像素點(diǎn)后，求出有效點(diǎn)數(shù)b與參與比較的總點(diǎn)數(shù)的比值q。其中，每一個(gè)像素點(diǎn)在圖片中有一個(gè)固定的面積，參與比較的所有點(diǎn)數(shù)表示通道內(nèi)物料面積大小，有效點(diǎn)數(shù)表示通道內(nèi)物料特征面積大小，計(jì)算后為通道內(nèi)的物料特征面積占總面積百分比。將q與基準(zhǔn)值p進(jìn)行比較，可根據(jù)q與p的大小關(guān)系對(duì)物料進(jìn)行判定，其中p表示判定過(guò)程中特征區(qū)域占物料總區(qū)域的百分比的設(shè)定值，若q>p則表示滿足特征分選，物料可識(shí)別，控制分選系統(tǒng)進(jìn)行分選；反之則不可識(shí)別，分選系統(tǒng)不動(dòng)作，物料自由下落。分量比較函數(shù)如式2所示。

Rl≤r（x，y）≤RhGl≤g（x，y）≤GhBl≤b（x，y）≤Bh （2）

其中，Rl，紅色閾值下限；Rh，紅色閾值上限；Gl，綠色閾值下限；Gh，綠色閾值上限；Bl，藍(lán)色閾值下限；Bh，藍(lán)色閾值上限。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

DSP在圖像處理的過(guò)程分為預(yù)選過(guò)程和分選過(guò)程，圖4所示是分選過(guò)程的流程。在預(yù)選過(guò)程中，需要調(diào)試模塊參與，調(diào)試模塊通過(guò)CAN總線讀取樣本圖片的數(shù)據(jù)，該模塊通過(guò)對(duì)樣本圖像的特征提取以及模糊聚類，計(jì)算分選閾值。在分選過(guò)程中，DSP通過(guò)CAN總線接收調(diào)試模塊發(fā)送的分選閾值，將其存入FLASH中；同時(shí)，DSP讀取FPGA采集到的背景圖像，將背景圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存中，分選閾值接收完畢后，可啟動(dòng)系統(tǒng)分選。系統(tǒng)啟動(dòng)分選后，DSP中DMA中斷檢測(cè)FIFO中滿標(biāo)志位HF的信號(hào)，當(dāng)FIFO寫滿后，產(chǎn)生DMA中斷，DSP通過(guò)DMA通道讀取圖像數(shù)據(jù)，將其放入內(nèi)存中。在處理過(guò)程中，每?jī)蓭瑘D像處理1次，當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到兩幀圖像時(shí)，DSP調(diào)用圖像處理程序，先將采集到的圖像減去相應(yīng)的背景，然后對(duì)其進(jìn)行通道劃分，通道劃分完成后，在各個(gè)通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)分量比較，求出單個(gè)通道內(nèi)符合要求的點(diǎn)與參與比較的所有點(diǎn)的比值，與設(shè)定值進(jìn)行比較，判定分選結(jié)果。判定結(jié)束后，調(diào)用串口程序，將分選結(jié)果發(fā)送給分選執(zhí)行模塊。

4 結(jié)論

色選機(jī)圖像處理系統(tǒng)是基于DSP為核心的圖像處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，利用了DSP在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中的諸多優(yōu)勢(shì)。在硬件系統(tǒng)上采用了DMA通道，實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)圖像數(shù)據(jù)的讀取，在讀取過(guò)程中不占用系統(tǒng)資源大大降低了DSP的處理負(fù)擔(dān)；在軟件系統(tǒng)上才用了圖像分割、特征點(diǎn)閾值比較等方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)分選物料的識(shí)別，可通過(guò)對(duì)分選閾值的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)多種大顆粒物料的分選。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于油茶果分選機(jī)上，在該設(shè)備上，油茶果分選效率以及分選質(zhì)量較基于計(jì)算機(jī)的分選設(shè)備均有所提升，同時(shí)大大降低了設(shè)備的成本。在該系統(tǒng)中，可對(duì)分選參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)各種有顏色差異的顆粒物分選中，具有非常廣闊的前景。

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