何建方 席濤 黃果 李萍

1. 韶關(guān)東陽光自動化設(shè)備有限公司 廣東 韶關(guān) 512721；2. 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海南 瓊海 571400

引言

工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要對生產(chǎn)產(chǎn)品進行檢測，若人為去檢測，必然會導(dǎo)致檢測效率低、檢測時間長、檢測準(zhǔn)確性跟人的經(jīng)驗有很大的關(guān)聯(lián)度[1-3]。隨著智能制造的發(fā)展，視覺檢測開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)品檢測，可進行產(chǎn)品的外觀檢測、缺陷檢測等，可以實現(xiàn)生產(chǎn)全機械化，減少人力資源成本[4-6]。

視覺檢測主要流程為攝像機對檢測物品進行拍照，對照片進行處理，得到檢測結(jié)果，其照片質(zhì)量優(yōu)為關(guān)鍵，照片的質(zhì)量很大程度決定于拍照光源的控制，通常采用光源控制器來對光源進行調(diào)整[7]。本文根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際需求，設(shè)計了一種可以匹配多種外部觸發(fā)信號電壓輸入、可以控制多個相機和多個光源、可以結(jié)合當(dāng)前環(huán)境光來自適應(yīng)達(dá)到所需的光源亮度的光源控制器，匹配多種光源輸入適用于多個應(yīng)用場景，可以控制多個相機和多個光源可得到物品多個角度的結(jié)果，提高檢測精確度，自適應(yīng)環(huán)境光，在不同的環(huán)境光種都能保證檢測圖片質(zhì)量，提高整個檢測過程的可靠性。

1 光源控制器整體設(shè)計

本文為適應(yīng)實際生產(chǎn)需求，研究了一種新型的光源控制器，通過核心控制器芯片來接收PC端發(fā)來的命令，經(jīng)過處理后通過驅(qū)動電路發(fā)送到光源端實現(xiàn)調(diào)光。總體設(shè)計框架如圖1所示，光源控制器的設(shè)計分為六大模塊：①主控模塊：采用ARM內(nèi)核處理器，負(fù)責(zé)和上位機進行數(shù)據(jù)交互，以及外設(shè)的控制。具體為，檢測光電傳感器的信號，環(huán)境光亮度值，進行處理后，通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)光源的亮度以及開關(guān)方式。②環(huán)境光采集模塊：通過光敏電阻采集當(dāng)前環(huán)境光的亮度，經(jīng)過中值平均濾波算法處理后，和PC端需要的光源亮度進行比對，進而得到控制光源的發(fā)光亮度。③電壓轉(zhuǎn)換模塊：通過DCDC電路對輸入電源電壓進行降壓處理，可適應(yīng)7～24V大范圍的輸入電源電壓。④光源驅(qū)動模塊：利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)可對光源亮度進行無極調(diào)光。⑤多路光源及相機信號光耦觸發(fā)模塊：a.物品的拍照可有多個角度多個相機拍攝，需要開啟不同方向的光源，一個光源開啟對應(yīng)一個相機的拍攝，可進行多個光源和多個相機協(xié)同拍照。b.恒流二極管的使用，可適應(yīng)3.3V～24V寬范圍的外部觸發(fā)電壓信號，完美解決不同器件之間電壓不匹配的問題。⑥人機交互界面及顯示界面：可顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，并可進行手動調(diào)節(jié)。

圖1 總體設(shè)計框架

2 控制器硬件平臺設(shè)計

控制器采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器為主體[8]，設(shè)計以下硬件設(shè)施來實現(xiàn)所設(shè)計的功能。

2.1 環(huán)境光采集模塊設(shè)計

在光源控制器中加入光敏電阻作為環(huán)境光強檢測，通過光敏電阻隨著光亮度變化阻值變化的特性來感應(yīng)光強度，加入AD采集電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將采集的光強度信號傳輸給主控模塊進行處理。

2.2 多路光源及相機信號光耦觸發(fā)模塊設(shè)計

在物品四周布四個光電傳感器，光源和相機，進行多角度拍攝。當(dāng)某一個光電傳感器被觸發(fā)后，將發(fā)出某一個相機的觸發(fā)信號，觸發(fā)該相機的拍照模式，直至完成四個方位的拍照。另外，恒流二極管的使用，可適應(yīng)3.3V～24V寬范圍的外部觸發(fā)電壓信號，完美解決不同器件之間電壓不匹配的問題。

2.3 主控模塊設(shè)計

主控采用STM32微控制器作為數(shù)據(jù)處理中樞[9-10]，通過串口通信方式和PC端通信，使用脈沖寬度調(diào)制方式進行光源控制。使用中值平均濾波算法對環(huán)境光和PC端所需的光源亮度進行處理，得到控制光源的實際發(fā)光亮度。

2.4 電壓轉(zhuǎn)換模塊

本設(shè)計光源控制器可適應(yīng)7V至24V輸入電壓，通過DCDC和LDO的聯(lián)用，設(shè)計如下圖2所示電路對電壓進行轉(zhuǎn)換，保證光源控制器有一個穩(wěn)壓的所需電壓輸出。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換模塊

2.5 光源驅(qū)動模塊

光源控制器需要長時間工作，發(fā)熱大，驅(qū)動電路采用低內(nèi)阻的場效應(yīng)管來實現(xiàn)器件的長時間穩(wěn)定輸出，如下圖3所示。光源的亮度調(diào)節(jié)采用脈沖寬度調(diào)制方式控制，占空比和燈的亮度成比例關(guān)系。

圖3 光源驅(qū)動模塊

2.6 人機交互界面及顯示界面

板載三個按鍵和一個四位顯示的數(shù)碼管[11]，既可以實現(xiàn)光源亮度的手動調(diào)節(jié)和工作模式的切換，也可以實時顯示當(dāng)前通道光源的亮度值。

3 控制器軟件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的總體流程設(shè)計

本設(shè)計中使用Keil公司針對ARM硬件平臺推出的RealView MDK對STM32進行軟件開發(fā)[12]。

在整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計過程中，軟件需要協(xié)調(diào)多個模塊進行運作，數(shù)據(jù)在多個模塊之間進行傳輸轉(zhuǎn)換，整個系統(tǒng)的流程圖如圖4所示，通過各個模塊的驅(qū)動函數(shù)調(diào)用，最終實現(xiàn)多個光源自動調(diào)節(jié)和多個相機協(xié)調(diào)拍照。

圖4 系統(tǒng)總體流程圖

3.2 環(huán)境光檢測及光電傳感器觸發(fā)程序設(shè)計

下圖5為環(huán)境光檢測及光電傳感器觸發(fā)流程。

圖5 環(huán)境光檢測及光電傳感器觸發(fā)流程

通過光敏電阻檢測環(huán)境光輸入到ARM控制板，和電腦端傳輸?shù)乃韫庠戳炼茸鲇嬎?，得到光源最終亮度；

通過光電傳感器時刻檢測外部觸發(fā)信號的有無，并將其觸發(fā)信號傳輸給ARM控制板，控制光源亮度；同時也傳輸給PC，用于觸發(fā)相機進行拍照。

3.3 環(huán)境光處理算法

在本設(shè)計中，我們使用中值平均濾波算法來對環(huán)境光采集到的信號進行處理，首先對環(huán)境光進行連續(xù)采樣N次，然后把N次采樣的值進行冒泡從小到大排序，丟棄極值后，對剩下值進行求平均作為本次采樣的環(huán)境光值。由該環(huán)境光值和電腦端所需的亮度值，我們可得到實際光源所需的亮度值。根據(jù)此方法，可以兼容不同亮度的環(huán)境光，適用于各種場合。

算法的程序代碼如下：

4 實驗結(jié)果

本文研究的新型光源控制器已大規(guī)模應(yīng)用于各類產(chǎn)品視覺缺陷檢測，如圖6所示為使用本設(shè)計光源控制器的視覺檢測設(shè)備，極大提升了產(chǎn)品缺陷檢測效率和準(zhǔn)確度，降低用工成本。一臺設(shè)備可代替5人，檢測準(zhǔn)確度達(dá)97%以上，圖7所示為最終檢測結(jié)果。此設(shè)備在工廠投入使用后，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益。

圖6 視覺檢測設(shè)備

圖7 檢測結(jié)果