（信号与信息处理专业论文）聚合物膜制品缺陷在线测量.pdf

竺至至矍二查三三兰堡! i 耋竺耋兰 聚合物膜制品缺陷在线测量 摘要 洁净度是衡量聚合物膜制品质量的重要指标之一如何提高聚合物膜制 品的洁净度，是众多聚合物薄膜生产企业所面临的重要问题。为了解决这一 难题，本文针对聚合物膜制品缺陷在线测量系统及其相关技术进行了研究， 采用实时测量技术与数字图像处理技术，完成了对现有缺陷测量系统的数字 化改造与性能扩展。 聚合物膜制品缺陷在线测量系统是在散射光的照射下，通过线阵c c d 控制电路获得聚合物薄膜缺陷信号，使用p c i 数据采集卡对一维缺陷信号 进行采集、传输，借助于计算机进行分析处理，从而精准地检测出缺陷信 息。并能够实时显示缺陷的几何形状。 本文通过对数据采集相关硬件的工作原理以及w i n d o w s 系统运行机制 的学习给出了利用d r i v e r s t u d i o 编写p c i 数据采集卡驱动程序的方法，提 高了数据采集、传输、存储的实时性与可靠性并在深入分析缺陷信号数据 特征的基础上，提出了聚合物膜制品缺陷检测算法：首先对线阵c c d 输出 信号进行预处理，用双阈值算法对缺陷区域进行粗定位，然后利用曲线拟合 梯度法实现亚像素级别边缘定位，从而实现对缺陷具体尺寸和所处位置的检 测。以上述算法为基础，用v c + + 程序设计语言开发了聚合物膜制品缺陷在 线测量系统软件，并利用v c 什与m a t l a b 的联合编程技术，实现了缺陷 图像处理与参数计算。 试验结果表明，本系统可对5 0 u m 1 5 0 0 p m 范围内的缺陷进行有效测 量，误差范围在5 以内，并可以准确地恢复缺陷的几何形状 关键词机器视觉：缺陷检测；驱动程序；实时 竺筌至詈：銮：王兰堡三兰三兰兰兰 o n l i n ei n s p e c t i o no fd e f e c t si np o l y m e r i cf i l m p r o d u c t s a b s t r a c t t h ec l e a n l i n e s si so n eo fm o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o r p o l y m e r i cf i l m p r o d u c t h o wt oi m p r o v et h ec l e a n l i n e s so fp o l y m e r i cf i l m p r o d u c t i sa n i m p o r t a n tp r o b l e m t os o l v et h ep r o b l e m ，i nt h et h e s i s ，o n l i n ei n s p e c t i n gs y s t e m o fd e f e c t si n p o l y m e r i cf i l m a n dc o n c e r n e d t e c h n i q u e sw e r es t u d i e d t h e d i g i t i z e di m p r o v e m e n ta n df u n c t i o np r o m o t i o nf o re x i s t e di n s p e c t i n gs y s t e mo f d e f e c t sw e r ea c h i e v e d ，i nw h i c ht h er e a l t i m em e a s u r i n gt e c h n i q u ea n dd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ew e r ea d o p t e d s i g n a l so fd e f e c t si np o l y m e r i cf i l mu n d e rs c a t t e r e dl i g h ti l l u m i n a t i o nw e r e o b t a i n e db yo n l i n ei n s p e c t i n gs y s t e mw i t hl i n e a ra r r a yc c dc o n t r o lc i r c u i t t h e 卜dd e f e c ts i g n a l sw e r ec o l l e c t e da n dt r a n s f e r r e du s i n gp c id a t aa c q u i s i t i o nc a r d ， a n dt h e 卜dd e f e c ts i g n a l sw e r ea n a l y z e da n dp r o c e s s e db yc o m p u t e r t h e r e b y , t h ed e f e c t sw e r ep r e c i s e l yf i g u r eo u t ，a n di t sg e o m e t r yc a nb ed i s p l a y e dr e a l t i m e i nt h et h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo fd a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r ea n dt h eo p e r a t i o n a l m e c h a n i s mo fw i n d o w ss y s t e mw e r es t u d i e d ，a n dt h ep r o g r a m m i n gm e t h o do f d r i v e rf o rp c id a t aa c q u i s i t i o nc a r dw r i t t e nb yd r i v e r s t u d i ow a sg i v e n ，b yw h i c h r e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t yi nt h ep r o g r e s so fd a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nw e r e i m p r o v e d o nt h eb a s i so fd e e p l ya n a l y s i n gs i g n a lc h a r a c t e r i s t i c so fd e f e c t s ，t h e a l g o r i t h mf o ro n l i n ei n s p e c t i n go fd e f e c t si np o l y m e r i cf i l mp r o d u c t sw a sp u t f o r w a r d ：f i r s ts i g n a l sf r o ml i n e a ra r r a yc c dw e r ep r e p r o c e s s e d ，a n dd e f e c t sw e r e i n e x a c t l yl o c a t e du s i n gd u a lt h r e s h o l d ，t h e nt h ec u r v ef i t t i n gg r a d i e n tm e t h o dw a s u s e dt oa c c o m p l i s h e ds u b p i x e le d g el o c a t i o n t h e r e b y , t h eo n l i n ei n s p e c t i o nf o r p r e c i s e a t t r i b u t ea n d f i g u r e o fd e f e c t sw a sa c h i e v e d d e p e n d i n go na b o v e a l g o r i t h m ，o n l i n ei n s p e c t i n gs y s t e ms o f t w a r eo fd e f e c t s i n p o l y m e r i c f i l m p r o d u c t sw a sd e v e l o p e di nv c + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e i m a g ep r o c e s s i n ga n d p a r a m e t e rc o m p u t i n go fd e f e c t sw e r ea c h i e v e du s i n gt h em e t h o do fa s s o c i a t e d p r o g r a m m i n gb e t w e e nv c + 十a n dm a t l a b - n 竺至至：三銮兰三兰罂：兰竺兰兰 a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，d e f e c t sw i t h i n5 0 t m 15 0 0 p mc a nb e d e t e c t e de f f e c t i v e l yb yo n l i n ei n s p e c t i n gs y s t e m e r r o ri sl e s st h a n5 g e o m e t r y o fd e f e c t sc o u l db er e c o n s t r u c t e da c c u r a t e l yi na d d i t i o n k e y w o r d sm a c h i n ev i s i o n ；d e f e c t si n s p e c t i o n ：d r i v e r ：r e a l t i m e i i ! 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文聚合物膜制品缺陷在线测 量，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期问独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：j 和k 只期： 帅7 年，月6 只 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 聚合物膜制品缺陷在线测量系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 日】在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和 电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 】影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密厂 ，在年解密后适用授权部。 不保密f 力 。 ( 请在以上相应方框内打4 ) r 期：刎年，月，1 1 f 1 期：l 如7 年歹月，e - 1 竺尘篓至三奎兰三兰堡圭兰堡丝童 第l 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 聚合物是由一种或几种结构单元通过共价键连接起来的分子量很高的化合 物，按其性质和用途可分为橡胶、化学纤维和塑料等几大类。聚合物产品具备 许多优越性能，被广泛的应用于人们的日常生活，并成为工农业生产和科学技 术领域中不可缺少的重要材料。 聚合物薄膜制品作为聚合物产品的重要分支，更是广泛的应用于食品卫 生、产品包装等各个领域。近几年我国聚合物薄膜的生产能力、花色品种、技 术装备产品质量等方面都有了明显的提高，大大缩小了我国与国外先进水平 的差距。然而，就行业总体水平而言，档次低、技术水平不高“。随着我国 加入w t o 以及市场开放时间表的逐步实施，我国聚合物薄膜生产企业在激烈 的市场竞争中，正面i 临着新的挑战。如何提高产品质量，与国际接轨，走向国 际市场，已是摆在企业面前的重要课题”1 。 聚合物薄膜制品的品种、规格的发展是与机械装备的发展紧密相连的，只 有提高聚合物薄膜机械的装备水平，尤其是提高生产线的自动化程度。才能从 根本上提高薄膜质量，提升产品竞争力。国内的聚合物薄膜制备机械这几年发 展迅猛，所用的生产线和生产设备从原来的完全进口发展到到今天的进口与国 产并存。然而自动化检测设备的发展仍然是刚刚起步，大部分企业的品质检测 环节仍停留在手工操作水平，检测的效果和效率主要依靠检测人员的经验“1 。 这样不但是花费在测量上的时间和人员数量相当大，而且传统的离线静态测量 技术根本无法满足现代薄膜生产中主动测量的要求，对产品质量的提高形成了 极大的障碍。这已经成为聚合物薄膜行业中急需解决的技术问题。 现代化的聚合物薄膜生产线要求产品的检测必须具有速度快、精度高、在 线自动检测的特点。这样不但可以减轻工人劳动强度、降低工作复杂度，还可 以降低生产与检测过程中的人为因素，使检测结果更加客观化“。同时更可用 于统计分析缺陷，找出其产生原因，以便优化结构设计与制作工艺，从而提高 生产效率，增加生产效益。在这种情况下迫切需要高精度的自动检测系统，实 现聚合物薄膜产品的快速动态全场在线测量。 目前，国内部分企业和研究单位已经积极展开了对聚合物薄膜自动检测系 哈尔滨理工大学丁学硕 学位论文 统的研究，并取得了一定的成果，但这些设备主要检测的目标是薄膜的总体特 性，例如：透湿性、透气性、雾度等，薄膜缺陷检测领域在国内仍是一项空 白。国外在该领域发展较快，所生产的设备具有精度高、速度快、可在线实时 测量的优点。不过由于进口设备十分昂贵，我国仅有极少数大型企业使用，这 极大的限制了薄膜缺陷检测设备的普及“”。广大聚合物薄膜生产企业急需 种体积小、精度高、速度快、价格适中的薄膜缺陷在线测量系统。 针对我国聚合物薄膜缺陷检测领域总体空白的现状面对聚合物薄膜生产 企业的实际需求，聚合物膜制品缺陷在线测量系统的研制是十分必要的，对其 进行研究具有重大的现实意义与广阔的市场前景。 1 2 聚合物薄膜缺陷检测技术发展综述 聚合物薄膜的缺陷大多来源于薄膜的制各和印刷等生产环节。现在工业上 主要使用吹塑和压延的方法生产薄膜：吹塑薄膜是将聚合物挤成薄膜管，然后 趁热用压缩空气将它吹胀，冷却定型后即得薄膜制品；压延成型是将已经塑化 好的接近粘流温度的热塑性聚合物通过一系列相向旋转舂的水平辊筒间隙，使 物料承受挤压和延展作用，而使其成为规定制品的成型方法“。在利用吹塑 或压延工艺生产透明聚合物薄膜的过程中，由于模具温度、辊隙存料量、牵引 速度等诸多因素的影响，制成品( 透明半透明聚合物薄膜) 可能会出现晶点、 鱼眼、黑点和灼痕等缺陷“。 薄膜印刷一般采用凸印、凹印、丝网印等方法。凸印，就是印刷的图纹部 分是凸起的；凹印，就是印刷的图纹部分是凹进去的；丝网印，就是在版框上 绷上丝网，在丝网上涂感光胶液，然后感光制版印刷“”。在聚合物薄膜印刷的 过程中，由于薄膜张力、油墨特性等因素的影响，制成品( 经过印刷的聚合物 薄膜) 可能会出现粘坏、脱墨、图案残缺等缺陷。 对于这些杂质缺陷的测量所用的测量方法有两大类：传统检测方法和自动 检测方法。传统检测方法包括人工目视法和表面频闪光检测，这类方法效率 低、误差大，但仍有大部分企业在采用这类方法”“”。近年来，随着计算机技 术、激光技术、光电耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p ! e dd e v i c e s ) 和图像处理技术的 迅速发展，机器视觉技术应运而生，并迅速在工业无损检测领域推广普及开 来。目前对杂质缺陷的自动检测方法主要就是指以机器视觉为基础的检测方 法，包括：激光扫描法、电子摄像法。 1 激光式缺陷测试光学和电子技术的进步，使应用激光扫描对材科的挤 堕垒量矍三奎兰三兰至圭兰堡兰圣 带测量成为可能。1 9 8 5 年b pc h e m i c m 公司研制了高速激光扫描装置检测挤带 试样中缺陷颗粒，系统分辨率为7 0 9 m “”。激光束由h e n e 激光器发出。透 射光含试片中缺陷信息。该系统的主要优点是测试速度高，光束扫描频率达 2 4 0 0 次，秒，幅度1 0 0 m m ，试片厚度0 5 m m 。缺点是系统过于复杂，且系统对 缺陷的测量是不分种类的，只要是异物即被记录下来。 2 光电式缺陷测试电子摄像方式是聚合物薄膜缺陷高速高分辨率检测的 另一选择，1 9 8 9 年在北欧化工公司应用了商品名为u m d o t 、基于电子摄像器 件扫描的挤带试样中缺陷颗粒的测量装置，分辨率为2 0 9 m 。并将其作为北欧 化工聚合物薄膜超净化生产能力的标志，再后来u c c 等材料制造商纷纷将缺陷 电子检查字样写入聚合物薄膜料的商品化说明和广告。该系统没有颗粒种类识 别能力，为了区别缺陷种类，在测到异物颗粒时，在试片上打有印记，然后由 一名工程师在印记处找到被测得的异物，在光学显微镜下观察其形态并确定种 类。根据报告，装置应用c c d 器件能在测量幅宽2 0 m m 时有2 0 9 m 分辨率， 说明其分辨率是像元级别的，显然是含有关键技术的。为满足聚合物薄膜制造 材料及工艺的超净化要求，s i k o l a 公司于1 9 9 5 年推出了加在挤出机上的缺陷 检测装置，该公司仅在刊物上报告了它的简单工作原理，它是利用聚合物薄膜 在挤出机中热熔状态透明的特点，在挤出机和机头之间加装了一个有透明口的 适配接口，用摄像机高速的测量聚合物薄膜材料中的缺陷，其分辨率为 2 0 1 x m ，材料流速2 0 0 k g h 。国内1 9 9 4 年研制成了电子摄像式检测系统。并在 上海化工厂等1 0 个单位使用。目前c d 型电子摄像式缺陷颗粒测量仪虽已 经具备了批量生产能力。但该仪器主要是基于单片机控制技术采用模拟测量方 式进行工作，用l e d 和示波器显示测量结果，人机交互功能不强，数据处理 与保存能力有限，无法实时显示缺陷形状“”“”。因此，充分利用计算机的资 源，结合图像处理技术，对电子摄像式缺陷颗粒测量仪进行了进一步的开发是 很有必要的“”1 。 ， 图像检测系统的一个显著特点就是计算量大。而在聚合物膜制品缺陷在 线测量系统中，聚合物薄膜是以较快的速度不断移动的。假设我们使用的是 1 0 2 4 像素的线阵c c d 相机进行线扫描，图像为2 5 6 级灰度图像，薄膜宽度为 2 e m ，移动速度为2 0 m m s ，采用1 6 位数据采集卡以5 m 采样速率每隔l m s 进行 外触发采样，则每秒钟处理的图像数据量为5 m b 左右，显然这对系统的传 输、存储和处理速度提出了很高的要求。 在聚合物薄膜生产的过程中所产生的杂质缺陷，其直径分布在0 1 5 0 0 9 m 之间，这就要求缺陷测量系统具有较高的精度。要想提高系统精度，通常可以 选择高像元的c c d 器件、采样频率高的图像采集卡等硬件措施，但是这些方 面还是有一定的局限性的”。因此利用数字图像处理的软件方法来提高检测精 度就显得尤为重要。 为了使检测系统能够实时显示并记录缺陷的位置和具体形态，就需要绘制 缺陷的图形。采用面阵c c d 可以直接获取二维图像信息，但帧幅率低，不适 于高速测量。而线阵c c d 输出的是被测目标截面成像的一维图像信息。所 以需要由一维c c d 的自扫描和另一维机械平移实现二维扫描，从而实现缺陷 图形的恢复。 1 3 本文的研究内容 本文针对聚合物薄膜中的缺陷，采用线阵c c d 、p c i 数据采集卡等构成硬 件电路，利用v c + + 作为程序设计语言，来对现有的聚合物薄膜缺陷检铡系统 进行数字化改进与性能提升。所傲的工作主要有以下几个方面： 首先，通过对系统技术指标与功能要求的分析，提出了基于p c i 总线的聚 合物膜制品缺陷检测系统方案，设计了聚合物膜缺陷检测系统总体框架。 其次，在对数据采集相关硬件的工作原理、实时系统以及w i n d o w s 系统运 行机制的研究分析基础上，编写了p c i 数据采集卡驱动程序，提高了系统数据传 输、存储的实时性、可靠性。 再次，对缺陷信号数据特征进行分析，建立了采样点数与缺陷尺寸关系模 型和实验标定曲线，提出了聚合物薄膜缺陷检测算法，使缺陷的大小与所在的 位置能够通过计算得到具体值，并给出了利用一维图像扫描信号恢复缺陷图形 的方法。 最后，使用v c + + 作为程序设计语言，设计了聚合物膜制品缺陷在线测量 系统软件，完成实时检测过程数据的采集、传输、计算与结果显示。并利用 v c + + 与m a t l a b 的联合编程，实现了缺陷图像处理与参数计算。 竺尘堡矍三查兰三兰堡当兰堡兰塞 第2 章缺陷在线测量系统的组成与方案设计 2 1 需求分析 2 1 1 系统技术指标 聚合物膜制品缺陷在线测量系统是以机器视觉技术为基础的自动检测系 统。本系统的总体技术指标如下： ( 1 ) 测量对象：聚合物薄膜中的杂质缺陷颗粒 ( 2 ) 可测参数：缺陷颗粒的直径、位置分布及具体形态 ( 3 ) 检测薄膜规格：厚度o 2 5 m m 宽度2 0 r a m ( 4 ) 膜速：2 0 m m s ( 5 ) 缺陷测量范围： 5 0 1 5 0 0 1 - i m ( 6 ) 分辨力：2 0 9 m ( 7 ) 精度： 5 f s ( 8 ) 最大总功率：1 o k w ( 单相供电) ( 9 ) 软件环境：w m d o w s x p 操作系统，v c h 6 0 编程环境 2 1 2 系统的功能要求 ( 1 ) 采用p c i 总线技术，具有高速数据采集，传输功能； ( 2 ) 具有缺陷检测数据结果显示、存储与加载功能： ( 3 ) 具有缺陷形态信息实时显示功能； ( 4 ) 具有统计属性表和处理数据表输出功能； ( 5 ) 具有缺陷图像报表输出功能： ( 6 ) 具有缺陷图像文件存储和加载功能； ( 7 ) 具有系统管理和通用文件管理功能； ( 8 ) 其他辅助功能。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 2 2 系统总体方案 在对缺陷检测系统进行综合需求分析的基础上，确定了检测系统的总体硬 件方案。整个系统由高亮度光源、毛玻璃片、透镜、c c d 器件、装有数据采 集卡的计算机等部分组成。其结构如图2 1 所示。 f i g 2 lt h ed e t e c t i o np r i n c i p l ef o rs y s t e m 在测试时，将待测聚合物薄膜材料放于光源与c c d 摄像头之间，通过电 机带动辊筒滚动从而使聚合物薄膜以恒定速度移动。当杂质缺陷通过这一测量 区域时光源的一部分光线被所要测量的缺陷遮挡而无法到达c c d ，使c c d 各光敏元的感光强度各不相同。c c d 的输出信号由数据采集卡采集后输入计 算机，利用程序分析光强曲线的变化来确定被测物体的边缘位置，从而测得缺 陷的实际大小，并能够进一步确定其位置与形态信息。 2 3 光学系统 从系统精度、视场、分辨率的角度出发，就要选择合适的光源并设计光 路。光源可分为自然光源和人造光源两类。在工业检测应用中，常常使用人造 光源。人造光源有许多种，诸如日光灯、高频荧光灯、l e d 照明光源、卤钨灯 等。卤钨灯价格便宜，光亮度强，更适于精细的小目标测量”1 。因此本系统 中的光源是由毛玻璃片和两根平行放置的卤钨灯组成。两根卤钨灯发出的光线 经毛玻璃片形成透射光和散射光迭加光线。光的强度可由调压器在一定范围内 进行调整一般选用1 3 0 v 的电压。 为了使系统具有更高的分辨率并提高测试速度，就希望获得尽可能大的测 量视场。图2 2 给出了光学系统结构图。 哈尔滨理1 = 大学t 学硕1 ：学位论文 m 。m 卜h h f 少 | = ? 拉 一一厂卜l 一 _ 一一上1 图2 - 2 光学系统结构 。f i g 2 2t h e s 打u c t u l eo f o p t i c a ls y s t e m 图中一表示物高，x 表示像高，p 、厂和f 分别表示物方焦点、焦距和物 距，m ，和日分别表示组合透镜的物方主面和主点；rf 和工分别代表像 方焦点、焦距和像距， 和分别代表组合透镜的像方主面和主点，在这其 中，。= 工l ，- ，= 三一f ，像面放置c c d 器件。 光学系统的放大率：= ( 2 1 ) z 。 c c d 视场宽度被映射到物面视场宽度 1 风= 去b ( 2 - 2 ) p 高分辨率物镜是光学摄像系统的关键。透镜组的分辨受衍射极限和像差的 限制，前者随孔径增加而增加，后者随孔径的增加而减小。根据薄膜缺陷颗 粒直径分布范围和检测分辨率的要求，本系统选用z e n t5 81 2 型照相机物 镜。 2 4c c l ) 器件 c c d 是一种集光电转换、电荷存储、电荷转移为一体的传感器件，它的 主要功能是把光学图像转换为电信号。 c c d 作为图像传感器按其接受光信息的维数可分为线阵c c d 和面阵c c d 两大类。面阵c c d 的优点是可以直接获取二维图像信息，测量图像直观，缺 点是每一行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制。而线阵c c d 的优点是 一维像元数可以做得很多，像元尺寸比较灵活，帧幅率高，特别适用于一维动 态目标的宽幅面高速测量”1 。故本系统选用线阵c c d 来获取缺陷信息。 在本系统中，聚合物薄膜的移动速度是2 0 m m s ，要求c c d 的行分辨率达 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 到2 0 9 m ，则c c d 的行扫描频率至少不低于l k h z ，为实现较为精确的缺陷识 别，系统要求每行采集1 0 2 4 个像元，即c c d 信号采集速率至少要达到 2 z 。 综合以上考虑，本系统选用日本东芝公司生产的1 0 2 4 像元c c d 图像传感器 线阵t c d l 3 2 d 。 1 d 1 3 2 d 主要性能技术指数如下： ( 1 ) 像元数：1 0 2 4 位 ( 2 ) 像元尺寸：1 4 x 1 4 1 a m 2 ( 3 ) 光谱响应：4 0 肚1 1 0 0 n m ( 4 ) 芯片饱和输出电压：3 v ( 5 ) 饱和曝光量：0 2 5 l x x s e c ( 6 ) 工作温度：- 2 0 c - - + 6 0 c ( 7 ) 供电直流电压：1 2 v 2 5 数据采集卡 缺陷颗粒在被t c d l 3 2 d 摄取后，经信号的转移、放大、滤波等处理输出 为模拟图像信号。但计算机只识别数字信号，因此要把模拟信号转换成计算机 能够识别的数字信号，即经过采样、量化、编码等步骤使模拟信号转换为数字 信号，然后通过总线将数字信号传输到计算机中进行数字图像处理。 为了保证高速实时测量，确定选用具有p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ) 总线接口的数据采集卡，因为p c i 总线是当代个人计算机的标准 总线，而且具有理论峰值可达1 3 2 m b s 的传输率，可以满足本系统的实时传输 要求。另外由于c c d 器件t c d l 3 2 d 的时钟频率是2 m h z ，就要求数据采集卡 具有较高的数据采集率，同时还应具有多端输入与外部电平触发的功能。 基于以上要求，我们选择由北京阿尔泰公司生产的p c i s 0 0 1 型数据采集 卡，该卡具有以下特点： ( 1 ) 4 个单端同步输入通道i ( 2 ) 最高4 0 m 单通道采样速率； ( 3 ) 1 2 位a d 分辨率( 带超量程指示) ； ( 4 ) 每个通道提供一个a d 转换器，四个通道同时转换； ( 5 ) 每个通道的帧缓存为5 1 2 k 字； ( 6 ) 支持软件触发、外部数字量触发和外部模拟量触发i 竺玺圣矍三兰三兰堡圭兰堡篁兰 ( 7 ) 1 2 路数字量输入； ( 8 ) 提供在不同操作系统环境下多种语言的动态库支持。 p c i 8 0 0 1 型数据采集卡采用美国p l x 公司生产的p c i 9 0 5 4 作为接口芯 片，该芯片完全兼容p c i 协议2 2 及2 1 ，支持3 种工作模式：p c i 总线主控器 模式、p c i 总线从设备模式和d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 模式。它采用业界 先进的“p l x 数据管道结构技术”实现d m a 功能，包括两个独立可编程的 d m a 控制器，支持可编程的通道优先级，d m a 通道的工作方式可以分为3 种：命令方式( 仅限于通道0 ) ，块方式和聚散方式。本系统中采用d m a 方式 进行传输。 2 6 本章小结 本章主要对聚合物膜制品缺陷在线测量系统的总体结构进行了介绍。在对 系统的技术指标与功能需求进行分析的基础上，给出了系统的总体设计方案。 整个硬件部分由光学系统、c c d 器件、数据采集卡等部分组成。本章首先介 绍了光学系统的组成与具体实现，然后着重分析了检测系统对c c d 器件的性 能要求并选择线阵电耦合器件t c d l 3 2 d 作为系统图像传感器。最后给出了数 据采集卡的选用依据和p c i 8 0 0 1 型数据采集卡的性能特点。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章p c i 数据采集卡驱动程序开发 w i n d o w s x p 操作系统是3 2 位的多任务非实时操作系统，为了保证运行的 安全性和稳定性。系统屏蔽了对系统底层的操作和用户与硬件打交道的权力， 而通过操作系统统一管理设备驱动程序和其它内核访问来实现应用程序对硬件 的访问。在聚合物膜制品缺陷在线测量系统中，耍经常通过应用程序对p c i 数 据采集卡设备资源进行访问，因此需要开发p c i 驱动程序以实现对数据采集卡 资源的完全访问。 本系统采用p c i s 0 0 1 数据采集卡对c c d 输出的图像数据进行采集，帧采 样频率为1 0 0 0 帧s ，因此需要在i m s 的时间内对每帧图像进行数据采集、传 输、存储和相应的处理。这就要求所编写的p c i 驱动程序具有响应快、传输速 度高的特点避免由于操作系统的非实时性而导致的帧丢失现象。 3 2w d m 驱动程序模型及层次结构 驱动程序提供连接到计算机硬件的软件接口，可以认为是由操作系统直接 调用的程序模块。它工作于内核模式，可以完成对硬件设备的操作控制”。由 于操作系统的发展及多样性，微软为不同的操作系统平台设计了不同的驱动程 序模型。比如：虚拟设备驱动程序主要运行于w i n d o w s 3 0 、w m d o w s 9 5 和 w i n d o w s 9 8 系统中；n t 式驱动程序主要运行于w i n d o w s n t 3 x 和 w m d o w s n t 4 0 中；而w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) 驱动程序主要运行于 w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s 2 0 0 0 和w i n d o w s x p 系统中。w d m 驱动程序完全支持即 插即用和电源管理，同时微软承诺其具有向后兼容性，这就意味着 w m d o w s 2 0 0 0 和w i n d o w s x p 系统的后续版本将以w d m 作为其驱动程序的基 本框架，早期版本的w d m 驱动程序只要重新编译就能运行在未来的w i n d o w s 操作系统上。正是基于以上考虑，本系统测量软件选择以w m d o w s x p 操作系 统为平台，以w d m 模型来进行驱动程序的开发。 在w d m 驱动程序模型中，每个硬件设备至少有两个驱动程序，其中一个 驱动程序称为功能驱动程序，另一个驱动程序称为总线驱动程序。w d m 驱动 堕查堡矍三查兰：兰堡：! 兰堡竺三 程序采用分层的结构模型，如图3 - 1 所示。图中右边是一个设备对象堆栈，设 一- i - - l l i i i j “ 设备堆栈 图3 - 1w d m 驱动程序层次结构 f i g 3 - 1l a y e r s t r u c t u r eo f w d md r i v e r 各对象是操作系统为帮助软件管理硬件而创建的数据结构。处于堆栈最底层的 设备对象称为物理设备对象p d o ( p h 3 ，s i c a ld e v i c eo b j ) 。在设备对象堆栈的 中间有一个对象称为功能设备对象f d o ( f u n c t i o n a ld e v i c eo b j ) 。在f d 0 的 上面和下面可能还会有一些过滤设备对象。 操作系统的p n p ( p l u ga n dp l a y ) 管理器按照设备驱动程序的要求构造设备对 象堆栈。总线驱动程序的项任务就是枚举总线上的设备，并为每个设备创建 一个p d o 。一旦总线驱动程序检查到新硬件存在，p i l p 管理器就创建一个 p d o ，之后便开始创建一个如图所示的结构。 创建完p d o 后，p n p 管理器参照注册表中的信息查找与这个p d o 相关的 过滤器和功能驱动程序，它们出现在堆栈中部。系统安装程序负责添加这些注 册表项，而驱动程序包中控制硬件安装的i n f 文件负责添加其它表项。这些表 象定义了过滤器和功能驱动程序在堆栈中的次序。p n p 管理器先装入最下层的 过滤器驱动程序并调用其a d d d e v i c e 函数。该函数创建个设备对象，这样就 在过滤器驱动程序和设备对象之间建立了水平连接。然后a d d d e v i e e 函数将 p d o 连接到f d o 上，这就是设备对象之间连线的由来。然后p n p 管理器继续 向上执行，直至完成整个堆栈。 层次结构可以使i o 请求过程更加明了。影响到设备的每个操作都使用 习习习蜀固固 一恸 一恸 一彻 ， 堕垒圣堡三查兰三兰至圭兰堡篁圣 i 0 请求包i r p ( v or e q u e s tp a c k e t ) 。通常，i r p 先被送到设备堆栈的最上层驱 动程序，然后逐渐过滤到下面的驱动程序。每一层驱动程序都可以决定如何处 理i r p 。有时，驱动程序不作任何处理，仅仅是向下层传递该i r p ：有时，驱 动程序直接处理完该i r p ，不再向下层传递；或者驱动程序既处理了i r p ，又 把该i r p 向下传递。这取决于设备及该i r p 所携带的内容任耵w 。 在p c i 设备的w d m 驱动程序中，一般是编写功能驱动程序。p c i 总线驱 动程序由操作系统实现，过滤驱动程序般在特殊的情况下才需要编写。因此 本文主要进行p c i 设备功能驱动程序的设计。由于p c i 设备驱动程序在框架上 与其他类型的设备驱动程序基本相同，包括：初始化、刨建设备、卸载删除设 各、即插即用、电源管理等部分。本设计主要讨论与p c i 数据采集卡功能实现 密切相关的硬件访问、中断处理和d m a 传输。 3 3 驱动开发工具的选择 开发w d m 驱动程序的主要工具有m i c r o s o f t 公司的d d k 和一些第三方公 司为方便用户开发而提供的开发工具，如c o m p u w a r e 公司的d r i v e r s t u d i o 和 j u n g o 公司的w 硎v e r 。 d d k ( d r i v e rd e v e l o p m e n tk i t s ) 是m i c r o s o f t 为其操作系统提供的驱动开发 软件包，该软件包为开发人员提供了用于驱动程序开发的编译链接程序、开发 技术文档、开发实例等。但开发人员需要阅读大量d d k 文档，深入了解操作 系统的内核工作方式，在编写代码时会面l 临电源管理、即插即用，多处理器安 全、例程运行优先级等问题，开发难度大，开发周期较长。 w m d f i v e r 是j u n g o 公司的设备驱动程序开发工具包，支持常见的p c i 芯 片厂商。它通过自己的v x d 和s y s 文件交互来达到驱动硬件的日的。驱动程 序中的所有函数都工作在用户模式下，这使得开发人员只需要了解w m d r i v e r 的工作原理和开发步骤，就可以开发设备驱动程序。但其开发出来的驱动程序 效率不高，速度不够快，缺乏灵活性。 d r i v e r s t u d i o 是一套简化w i n d o w s 驱动程序开发、调试及测试的工具包， 它包含d r i v e r w o r k s 、s o f f l c e 等工具。其中的d r i v e r w o r k s 以面向对象( o o p ) 的方式，将编写w d m 及n t 下驱动程序所需的对内核及硬件的访问封装成类 供用户继承或实例化，以实现驱动功能1 。由于d r i v e r w o r k s 只是将d d k 中 的函数封装成类并由v c 编译链接，因此，对执行速度的影响较小。同时，封 装成类并提供了程序的框架，使得实际的驱动开发工作可以省去很多繁琐细 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 节，方便了驱动程序的编写。综合上述分析，在采集卡驱动程序设计过程中， 选用d r i v e r s t u d i o 工具包作为开发工具，并结合m i c r o s o f tv c h 缶0 进行开发。 3 4p c i 数据采集卡驱动程序开发 p c i 设备驱动程序在框架上与其他类型的设备驱动程序基本相同，包括： 初始化、创建设备、卸载删除设备、即插即用、电源管理等部分，可以由 d r i v e r s t u d i o 的向导程序d r i v e r w t z a r d 来生成p c i 设备的w d m 框架程序。 用d r i v e r w i m r d 生成w d m 框架程序时，会自动产生三个p 1 1 p 例程( 启 动、停止和删除例程) 和一个默认p n p 例程，对于这几个p i l p 例程都采用框架 自动生成的结果，因为p n p 在w d m 框架程序己经得到了很好的支持。我们只 需要关心f d o 的有关功能例程的编写，即与p c i 数据采集卡功能实现密切相 关的设备资源获取与初始化、内存和i o 端口的访问、中断处理和d m a 传 输。 3 4 1 设备资源获取与初始化 w d m 驱动程序对p c i 设备的硬件访问包括设备资源获取以及对内存和 i 0 空间的访问。当数据采集卡驱动程序启动后，如果p i l p 管理器检测到相应 的硬件设备，就会发送i r pm ns t a r t 的 给驱动程序处理。由d e v i c e i r p 于p c i 总线为p i l p 总线，p c i 设备的硬件资源都是由p c i 总线配置机构动态分 配的。驱动程序必须先将该i r p 交给p c i 总线驱动程序处理，取得p c i 设备的 配置信息和分配的资源后，再分发和处理该i r p 。i r pm ns t a r t _ d e v i c e 在驱动程序中对应的处理函数一般为o n s t a r t d e v i c e 。o n s t a r t d e v i c e 例程中的 部分代码如下： p c m - r e s o u r c e l i s tp r e s l i s t r a w = i a l l o c a t e d r e s o u r e e s 0 ； p c m r e s o u r c e - l i s tp r e s l i s t t r a n s l a t e d = i t r a n s l a t e d r e s o u r c e s ( ) ； 获得系统分配资源 s t a t u s = m _ i o p o r t r a n g e 0 i n i t i a l i z e ( p r e s l i s t t r a n s l a t e d ， p r e s l i s t r a w , p e i c o n f i g b a s e a d d r e s s l n d e x t 0 0 r d i n a l ( 0 ) 1 ) ；对i o 端1 2 变量进行初始化，使之与具体资源联系 s t a t u s = n lm e m o r y r a n g e 0 i n i t i a l i z e ( 堕尘堡矍三奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 p r e s l i s t t r a n s l a t e d , p r e s l i s t r a w , p c i c o n f i g b a s e a d d r e s s l n d e x t o o r d i n a l ( 1 ) ) ；获取内存资源并初始化 s t a 嗵i r q i n i f i a l i z e a n d c o n n e c t ( p r e s l i s t t r a n s l a t e d , l i n k t o ( i s rl r q ) ， t h i s ) 获取中断资源，进行初始化并连接中断处理函数 m _ d p e f o r _ i r q s e t u p ( l i n k t o ( d p c f o r _ i r q ) t h i s ) ；碱gd p c 并连接 延迟调用函数 m _ d m a i n i t i a l i z e ( & d d , r n _ l o w e r , t o p o f s t a c k 0 ) ； r e _ b u f