（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp的视觉传感器技术及在啤酒液位检测的应用研究.pdf

中文摘要 随着工业生产的快速发展，现代化的检测技术也日渐成熟。基于计算机视觉 理论的视觉检测技术，以其高精度、非接触性、自动化程度高等优点，广泛应用 于现代生产检测中。而随着微电子技术的发展，出现了区别于传统基于p c 视觉 系统的视觉传感器。视觉传感器以其简单化、模块化和产品化的特点，被逐步应 用于生产检测的各个领域。本文在完成基于d s p + c p l d 视觉传感器样机设计的 基础上，成功开发以太网通信接口，并将其应用到啤酒灌装生产的液位检测中， 通过实验论证其满足现代啤酒灌装生产的需求。本文完成的主要工作有： 1 针对视觉检测系统的特点和要求，比较了视觉传感器和基于p c 的视觉系统， 分析视觉传感器的特点和优势。根据视觉传感器的功能组成，对整体实现方 案以及各功能模块进行了分析和比较，最终确定了采用c m o s 为图像传感器 d s p + c p l d 为处理控制核心的实验样机系统的实现方案。 2 详细分析了视觉传感器各模块的构成特点，针对视觉传感器多模块分时复用 和选用d s p 存储空间有限的特点，对不同模块的存储空间进行了分配，调试 完成了各模块的硬件部分。 3 研究了系统通信模块的实现方案，重点研究了基于t c p i p 的以太网通信模 块。设计并完成了基于硬件协议栈的网络通信，并通过实验对网络传输速率 进行了测试，能够满足系统的需求。 4 研究d s p 系统软件优化方法，并针对d s p 的硬件特点和啤酒液位检测图像 的特点，充分讨论各种图像处理算法，选取适合本系统的算法。详细论述了 基于概率统计的计算液位位置算法。在满足检测速度的情况下，能够准确的 检出液位的位置。 5 详细研究了基于视觉传感器的啤酒液位检测方法，提出了由管理单元、p l c 操作站和检测机三部分组成的啤酒液位检测系统。同时对光源、照明方式和 光电传感器做了详细的讨论，并通过实验的方法选取适合本系统的光源照明 和光电传感器。 6 设计并实现软件系统结构。采用多任务实现方案，基于中断机制的工作原理， 采用准实时的图像处理方案，提取液位特征。并对系统的曝光时间，实时图 像数据采集和检测代码的运行时间做了实验论证。 关键词：视觉传感器d s p 以太网液位检测 a b s t r a c t c o r r e s p o n d i n gt ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，d e t e c t i o no f m o d e r nt e c h n o l o g yi sm a t u r i n g t h ev i s i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a sb e e n d e v e l o p e db a s i n go nt h ec o m p u t e rv i s i o nt h e o r ya n dh a st h em e r i to fh i g ha c c u r a c y , n o n - c o n t a c t ，a n dh i g ha u t o m a t i o n ，i sb e i n gw i d e l ya p p l i e di nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n h o w e v e r , a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r yp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n d t h em i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h e r ea p p e a r sv i s i o ns e n s o rw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a lp cb a s e dv i s i o ns y s t e m t h ev i s i o ns e n s o rw h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f s i m p l i f i e d ，m o d u l a r i z a t i o na n dp r o d u c t ，i sw i l d l ya p p l i e di nm a n yf i e l d so fi n d u s t r i a l d e t e c t i o n t h i sa r t i c l ec o m p l e t e st h ed e s i g no ft h ev i s i o ns e n s o rp r o t o t y p eb a s e do n d s p + c p l da n dt h a np u t si t sa p p l i c a t i o nt ot h ed e t e c t i o no fb e e rf i l l i n gl e v e l ，a n d t h r o u g he x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o n ，w h i c hm e e t st h em o d e r nb e e rf i l l i n gp r o d u c t i o n n e e d t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sa r t i c l ei n c l u d e ： 1 a c c o r d i n gt o t h ef e a t u r e sa n dr e q u i r e m e n t so fv i s u a li n s p e c t i o ns y s t e m ，t h e a d v a n t a g e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv i s i o n s e n s o rw e r ea n a l y z e dc o m p a r i n gt o v i s u a li n s p e c t i o ns y s t e mb a s e dp c c o n f i r m i n gt h ec m o sa si m a g es e n s o ra n d d s p + c p l da sc o r es y s t e mi m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei nt h es t a g eo ft e s tp r o t o t y p e 2 d u et ot h em u l t i p l ev i s i o ns e n s o rm o d u l e sa n dt h el i m i td s pm e m o r ys p a c e ，t h e m e m o r ys p a c ew a sd i s t r i b u t e db e t w e e nd i f f e r e n tm o d u l e s 3 t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e so fs y s t e mi m p l e m e n t a t i o ns c h e m ew e r es t u d i e d ； m a i n l yi n t h ee t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e sb a s e dt c p i ed e s i g n e dt h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dt e s t e dt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o ns p e e d 4 t h i st h e s i ss t u d i e st h eo p t i m i z e dm e t h o do ft h ed s ps y s t e m ss o f t w a r e ，a n df u l l y d i s c u s s e se a c hk i n do fi m a g ep r o c e s s i n gm e t h o di nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co f d s ph a r d w a r ea n db e e rf l u i dp o s i t i o ni m a g e ，a n dt h e nc h o o s e st h ea l g o r i t h mt h a t b e s ts u i t st h i ss y s t e m d e t a i l e d l yd i s c u s s e st h eb e e rf l u i dp o s i t i o nc o m p u t a t i o n a l m e t h o db a s e do n p r o b a b i l i t y s t a t i s t i c s i nt h es i t u a t i o nt h a ts a t i s f i e st h e e x a m i n a t i o ns p e e d ，t h es y s t e mc a na c c u r a t e l yp i c ko u tt h ef l u i dp o s i t i o n 5 d e t a i l e d l yd i s c u s s e st h eb e e rf l u i dp o s i t i o ne x a m i n a t i o nm e t h o db a s e do nv i s u a l s e n s o r , a n dd e s i g n st h eb e e rf l u i dp o s i t i o ne x a m i n a t i o ns y s t e mw h i c hi sc o n s i s i t o ft h em a n a g e m e n tu n i t ，t h ep l co p e r a t i o ns t a t i o na n de x a m i n a t i o nm a c h i n e m e a n w h i l ed e t a i l e d l yd i s c u s s e st h ep h o t os o u r c e ，t h ei l l u m i n a t i o nw a x , a n dt h e p h o t o e l e c t r i cs e n s o r , a n ds e l e c t st h er i g h tw a yo ft h el a m p - h o u s ei l l u m i n a t i o na n d p h o t o e l e c t r i cs e n s o r 6 d e s i g n sa n dr e a l i z e st h es t r u c t u r eo fs o f t w a r es y s t e m t h es t r u c t u r eb a s e do n i n t e r r u p tw o r k i n gp r i n c i p l e ，u s i n gt h em u l t i - d u t i e sr e a l i z i n ga n dr e a l t i m ei m a g e p r o c e s s i n gp r o j e c t ，e x t r a c t s t h ep o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i co fb e e rf l u i d a n d p r o o f - t e s t st h ee x p o s i n gt i m eo ft h es y s t e m ，r e a l - t i m ei m a g ed a t ag a t h e r i n ga n d e x a m i n a t i o nc o d er u n n i n gt i m e k e y w o r d ：v i s i o ns e n s o r d s pe t h e r n e t l i q u i d - l e v e ld e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：咳趸考乙签字日期：五形孑年占月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：嚷是弧 导师签名： 3 搬管函 签字日期：衙 6 。月中自 签字日期：劢年石月厂日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 工业自动化生产技术的飞速发展，对现代生产的质量检测技术提出了新的要 求。集中表现在：现代工业生产产品种类繁多，许多新型产品没有相应的检测方 法；现代工业生产强调实时、在线、非接触检测，以控制生产过程，提高生产效 率和产品的合格率，这是许多传统检测方法无法提供的；现代工业生产的制造精 度要求大大提高，需要相应的高精度检测方法。传统的检测手段已经不能满足现 代化生产的需要，需要新型产品检测技术来适应现代生产的要求。视觉检测技术 是近十几年来发展的一门新兴测量技术，采用了自动化与智能化技术，通过计算 机识别和控制，测量过程只需很少的人工干预就可完成。视觉检测具有非接触、 测量速度快、自动化程度高、精度高等优点。非常适合现代先进制造业高度自动 化的发展要求。结合现代理论的发展与技术进步，视觉检测技术日益成熟。并逐 渐走进工业现场u 。 现代工业生产技术的不断发展，加快了现代化工业大生产的生产节拍，为 了使视觉检测系统满足于现代大生产的高速生产节拍，实现实时在线检测，视觉 检测系统在检测速度方面还有待于进一步的提高。传统的视觉检测系统中，由图 像传感器将图像数据传送到计算机，由计算机中的图像采集卡对图像进行采集， 并利用高级语言编写的程序对图像进行处理。这种方法除了成本高，开发周期长 以外，还不利于集成化设计。而随着微电子技术和集成电路制造技术的发展，这 种视觉检测系统也发生了一定的变化。由主要依托于计算机的视觉检测系统转变 为将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内的视觉传感器( 智能相机) ， 其具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的特点。同时，由于应用了最新的 d s p 、f p g a 以及大容量存储技术，其智能化程度也不断提高，使其可以完成大 多数的视觉检测任务1 4 j ，如啤酒液位的检测。 ， 在啤酒灌装生产线上，由于灌装机器的长时间运转，经常由于灌装嘴的堵 塞或灌装压力不足等原因，导致一些“半瓶”的啤酒被灌装压盖。由于啤酒的易 氧化变质的特点使得这些“半瓶”啤酒不能再重新开盖灌装，只能作为废品被弃 掉，从而给啤酒生产商带来一定的经济损失。同时由于啤酒瓶在验瓶过程中是单 天津大学硕士学位论文第章绪论 排通过，所以这一工序的日工作量就是整条生产线的日产量，故一套高效、精确 的验瓶系统对于整条啤酒灌装生产线就显得尤为重要。采用视觉传感器对啤酒液 位进行检测具有非接触、高精度、高效率的特点。同时由其构成的检测系统体积 小巧，便于安装，利于集成在灌装生产线的灌装压盖机上，可以提升该机器在同 行业中的竞争力。 1 2 视觉检测及视觉传感器 1 2 1 计算机视觉及视觉检测 人眼是通过眼睛和大脑来获取、处理与理解视觉信息的。周围环境中的物体 在可见光照射下，在人眼的视网膜上形成图像，由感光细胞将其转化成神经脉冲 信号，并传入大脑皮层进行处理与理解。所以，视觉不仅指对光信号的感受，还 包括对视觉信息的获取、处理与理解的全过程。随着信号处理理论和计算机技术 的发展，人们试图用摄像机获取环境图像并将其转换成数字信号，用计算机实现 对视觉信息处理的全过程，这样就形成了一门新兴的学科一计算机视觉陋1 。 计算机视觉理论来源于计算机视觉，这一理论是从2 0 世纪5 0 年代从统计模 式识别基础上发展起来的，当时工作主要集中在二维图像分析和识别上，如染色 体配对、光学字符识别、零件尺寸检测、工件表面、显微图片和航空图片的分析 和理解等。8 0 年代初，m a r r 提出了较为完善的视觉计算理论，把视觉过程看作是 一个信息处理过程，并把视觉过程主要规定为定量地恢复出所反映场景中三维物 体的形状及其空间位置，这个过程可分为三个阶段：底层视觉( 2 d ) ，中层视觉 ( 2 5 d 、3 d ) 和高层视觉( 直接目的) 。按照m a r r 理论，计算机视觉理论要回答 视觉系统的计算目的和策略是什么，即视觉系统的输入和输出是什么，如何由系 统的输入求出系统的输出心1 。 基于计算机视觉理论发展起来的视觉检测技术，是一项新型的工业检测技 术。它具有非接触性、实时在线性、检测精度高、自动化程度高、信息量丰富等 优点。随着计算机技术以及电子器件水平的飞速发展，视觉检测的优势正在得到 充分发挥。如今，视觉检测技术的发展速度越来越快，现己广泛应用于生产生活 的各个领域。在工业检测、智能识别和材料分选中都扮演了重要的角色。如汽车 加工、电子及半导体、包装检测、金属加工、农产品加工以及医学等行业阳1 。 在工业检测领域，视觉检测的应用大幅度地提高了产品的质量和可靠性。例 如零件位置的检查、印制电路板的检测、饮料行业的容器质量检测、饮料填充检 测、饮料瓶封口检测、人民币印刷检测和卷钢质量检测等。在海关，应用x 射 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 线和计算机视觉检测技术对货物进行不开箱通关检验，提高了通关速度，节约了 大量的人力和物力。在制药生产线上，可以对药品包装进行检测，以确定是否装 入正确数量的药粒。 在农业领域，视觉传感器也有广泛的应用。根据农产品的颜色、形状和大小 进行分选和检测。为了提高加工后农产品的品质，对水果的坏损部分、粮食中混 杂的杂质、烟叶茶叶中存在的异物等都可以通过视觉检测系统进行检测并准确去 除。随着工厂化农业的快速发展，利用视觉检测技术对作物生长状况进行监测， 实现科学灌溉和施肥。 在金属加工领域，由于金属加工的特殊环境，非接触，耐高温和智能化的机 器视觉检测系统得到广泛的应用。如：焊缝的检查、铸件形状的检测、钢板缺陷 的检查、冲压成型的几何尺寸的测量和精确加工中工件尺寸的测量等。 在医学领域，视觉检测用于辅助医生进行医学影像的分析，主要利用数字图 像处理技术和信息融合技术对x 射线透视图、核磁共振图像和c t 图像进行适 当叠加，然后进行综合分析；对其它医学影像数据进行统计和分析，如利用数字 图像的边缘提取与图像分割技术，自动完成细胞个数的计数和统计，这样不仅节 省了人力，而且提高了准确率和效率1 4 j 。 经过上述分析可以看出，视觉检测技术的诞生为工业生产带来了一双眼睛， 工业的发展带动了这项技术的进步，同时这项技术的不断完善也为工业生产提供 了有力的保障。 1 2 2 视觉传感器 在过去的十年中，个崭新的市场在机器视觉领域出现：视觉传感器( v i s i o n s e n s o r ) ，又称为智能相机( s m a r tc a m e r a ) 。其并不是一台简单的相机，而是一 种高度集成化的嵌入式微小型计算机视觉系统。它将图像的采集、处理、通信和 i o 控制功能集成于单一相机内，独立地完成预先设定的图像处理和分析任务。 从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性和易于实现的机器视觉解决方案。同 时，由于采用一体化设计，可降低系统的复杂度，提高可靠性。视觉传感器的应 用使得视觉系统的尺寸也大大的缩小，拓宽了视觉技术的应用领域，并且随着最 新的d s p 、f p g a 及大容量存储技术的发展，其智能化程度不断提高，可满足多 种视觉检测的应用需求，从而使其所拥有的市场份额比例越来越大。 视觉传感器区别于传统的基于p c 的视觉系统。传统的视觉检测系统如图1 1 所示，主要部件是c c d 摄像机、图像采集卡和计算机。c c d 摄像机输出信号为 标准的模拟视频信号，模拟视频信号经过图像采集卡转化成数字信号，然后再将 数字信号转移到p c 机上进行处理。这种复杂的视觉系统已经成为一项成熟的技 天津大学硕士学位论立 第一章绪论 摄像机 噙氐：! 采集系统 图像数据 图l 一1 基于p c 的视觉传感系统 术，可执行细致的自动检验。但是，复杂性和高成本妨碍其在许多行业中的应用。 该系统通常需要一个或多个摄像头，定制软件以及一台计算机。往往需要聘请外 部视觉顾问来设计、集成和安装。此外，鉴于此类系统的专用性，无法轻松地将 其改作他用。且通常要求持续的专业支持1 5 。 部什光潍 镜头税站传感器 砸冒 输出站果 图像获取图像分析决定检测结果 图1 - 2 一体化设计的视觉传感器 而本文所提到的视觉传感器是将图像传感器、数字处理器、通讯模块和其他 外设集成到单一的相机内，实现一站式服务，如图1 2 所示。通过可靠性设计， 可以获得较高的效率及稳定性；由于视觉传感 器采用d s p 或f p g a 高速处理技术，并且固 化了成熟的机器视觉算法，使用户无需编程， 就可以实现有，无判断、表面缺陷检测、尺寸测 量和条码阅读等功能，从而极太的提高了应用 系统的开发速度：且视觉传感器结构紧凑，尺 寸较小，如图1 - 3 所示的c h e c k e r 视觉传感器， 体积仅为4 8 x 5 8 x 9 0 m m ，但其却是一款功能强 大的视觉检测传感器。内置灯光，检测距离可 圈1 3c h e c k e r 视觉传感器 以调节，每分钟可以检测6 0 0 0 多个元件。小巧的封装尺寸可以安装在任何紧凑 的空间中“1 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 视觉传感器现已经广泛应用到生产生活的各个领域如汽车行业、电子行业、 物流自动化行业、半导体行业、水工行业以及包装和灌装行业等。如图1 - 4 是邦 纳公司的视觉传感器应用在包装和灌装行业中的应用实例”。 ( e )( f ) 图1 - 4 视觉传感器在包装和灌装行业中的应用 图1 4 a 是视觉传感器在清洁剂装箱过程中的应用，检测喷管是否被正确安 装和颜色是否与瓶子的一致。图l - 4 b 是视觉传感器用于透明液体的包装瓶上生 产日期代码的检验，同时还可以对液位的高低和瓶盖的位置进行检测。图1 _ 4 c 是视觉传感器对产品包装方向是否一致的检测，确认产品包装盒是否损坏和是否 都已密封，同时检测盒子是否按同一方向摆放，保证包装的一致性。图1 - 4 d 是 视觉传感器用于确定装箱数目以及瓶盖是否匹配的检验。图i - 4 e 是视觉传感器 对装配线上的瓶子颈部螺纹进行检测的应用，有时瓶颈部分的螺纹会出现不规则 网。羽 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的现象，从而导致密封不严。视觉传感器使用定位工具确认螺纹的位置，使用边 缘工具检测螺纹尺寸。图1 4 f 是视觉传感器对灌装液位的检测，在饮料灌装过 程中，可能出现松动的导管落入瓶中的风险，导致液体喷洒到生产线上而无法进 行后面的灌装，视觉传感器能够检测到瓶子里的导管，进而停止生产线进行相应 的处理。 从现阶段视觉传感器在国内外的应用与发展可以看出，视觉传感器较传统的 视觉检测系统也有其自身的缺点，如在设计的灵活性和可扩展性上都受到一定的 限制。同时，对一些高要求的视觉检测尚未能完成，但随着科技的发展相信视觉 传感器的处理速度和存储容量也会不断的提高，从而完成更多更高的视觉检测任 务。 1 3 啤酒液位检测 1 3 1 啤酒液位检测的意义 啤酒是人们日常生活中的一个重要组成部分，据俄罗斯新消息报报道， 中国啤酒消费量为世界第一，美国、德国、巴西与俄罗斯紧随其后。去年全国啤 酒消费量约2 8 7 亿升，且1 3 5 7 4 亿瓶5 0 0 m l 的啤酒哺3 。如此大的需求量要求啤酒生产 商必须采用高效优质的啤酒生产工艺。 随着科技的发展，工业生产的自动化水平越来越高。啤酒灌装也实现了全自 动的流水线作业。其中包括洗瓶、灌装、杀菌、贴标和装箱等过程。流水作业如 图1 - 5 所示。从图中可以看出整个啤酒包装的过程中实施检测的有两部分，一部 分是对空瓶的检测，包括检测清洗是否干净、有无碎瓶和异瓶等。 另一部分就是对灌装压盖后的成品啤酒进行检测。在啤酒灌装生产线上， 由于灌装机器的长时间运转，经常会出现灌装嘴的堵塞或灌装压力不足等现象， 导致一些“半瓶”的啤酒被灌装压盖。由于啤酒的易氧化变质的特点使得这些“半 瓶”啤酒不能再重新开盖灌装，只能作为废品被弃掉，同时由于啤酒瓶在验瓶过 程中是单排通过，所以这一工序的日工作量就是整条生产线的日产量，故一套高 效、精确的验瓶系统对于整条啤酒灌装生产线就显得尤为重要。而采用视觉传感 器对啤酒液位检测具有非接触、高精度、高效率的特点。同时由其构成的检测系 统体积小巧，便于安装，利于集成到生产线上的灌装压盖机中，可提高该机器在 同行业中的竞争力。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 5 现代啤酒灌装生产流水线 因此，设计出符合我国国情的验瓶装置对我国啤酒生产装备国产化具有重 要的社会效益和经济效益。 1 3 2 啤酒液位检测的研究现状 国外的啤酒生产线液位检测大多使用y 射线式密度传感器。由于射线强度与 穿过物体的密度有一定的关系，当y 射线穿透物体时射线强度会有一定的损耗， 通过检测射线强度对液位信息进行分析处理。由于国外的生产工艺比较先进，故 生产的传感器能够满足速度和精度要求，如法国的g e o s e r v i c e 公司和德国k r o n e s 公司的产品。而国内相应的产品还达不到国外产品的精度和速度。另外，由于射 线具有放射性，对实验条件、操作者的水平以及生产线上的防护都有很高的要求。 我国己成为世界第一大啤酒生产国和消费国，并成为国民经济的重要组成部 分。但我国啤酒生产的装备水平和技术水平及产品的质量与国外相比，还存在较 大差距。因此，如何提高我国啤酒工业的技术水平，尽可能用国产装备技术替代 进口的装备技术，达到啤酒生产的技术产业化，成为啤酒行业的当务之急。 随着大规模集成电路、计算机网络技术和多媒体通信技术的发展，数字图像 处理技术已经广泛应用在遥测遥感、医学、通信、工业生产的质量控制、安全保 障、公安刑侦等各个方面。目前数字图像处理已成为工程学、计算机科学、信息 科学、统计学、物理、化学、生物学、医学等领域中各学科学习和研究的对象。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 将数字图像处理技术应用到啤酒灌装生产线中可以提高灌装速度和检验精度。视 觉传感器是近几年来出现的一种新型的机器视觉检测系统。它具有智能化和一体 化的特点。将其应用到啤酒灌装检测中必将会带来很好的效益。从而提高啤酒灌 装的生产效率。 1 4 本文意义和主要工作 视觉检测技术自起步发展到现在，已有数十年的历史。视觉检测系统的功能 随着工业自动化的发展而逐渐完善和发展。据不完全统计，目前全球整个视觉市 场总量约7 0 亿美元，并且每年以8 8 的速度增长。而在我国，由于工业自动化 程度还没有达到国外的先进水平，所以视觉检测技术在中国的应用还处于起步阶 段，但是随着制造业对自动化的需求以及对生产质量和管理水平的不断提高，我 国对视觉检测的需求也会不断的上升。 作为视觉检测的重要组成部分的视觉传感器( 智能相机) 在国内尚属于概念 导入期。刚刚起步，市场绝大部分被国外的企业如c o g n e x 、f e i t h 、d a l s a 、 b a n n e r 等公司占据，国内的企业仅有如大恒、汉王等为数不多的企业从事视觉传 感器的研发和生产工作1 4 1 。所以进行视觉传感器的研究和设计就显得尤为重要。 啤酒灌装过程基本上实现了自动化，视觉传感器的主要应用与包装和灌装行 业。所以设计出应用于啤酒灌装生产线上的视觉传感器就显得更加有意义。啤酒 灌装过程中，很多地方需要对生产进行监测。如：检测灌装瓶是否洗净；检测是 否存在异瓶、碎瓶；检测灌装液位是否合格等。传统检测难以满足工业生产的需 求。而利用视觉传感器可以实现1 0 0 , - 一8 0 0 瓶分的验瓶速度，从而实现了人力的 解放，提高了生产效率。 鉴于以上对视觉传感器的优势、市场潜力和啤酒灌装生产线的分析，以及本 实验室的课题研究方向和研究能力，制定了视觉传感器的研究课题。针对目前的 课题进展情况，选取啤酒灌装液位的检测为应用。 本实验室在开发视觉传感器过程中是由一个研发团队组成，团队成员分工协 作。现将本文安排如下： 1 根据视觉传感器的基本组成和应用特点，设计并完善了视觉传感器样机的实 现方案。 2 针对视觉传感器对网络通信的要求，采用以太网通信，设计了基于硬件协议 栈的t c p i p 通信方案，并实现图像数据和检测结果的快速传输。 3 根据视觉传感器的图像处理能力，设计以d s p 为处理核心的啤酒液位检测算 法。实现对啤酒液位的准确测量。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 4 给出了啤酒液位检测系统的基本组成，并对啤酒液位检测系统的照明方式、 光源和触发方式进行了分析、选取了适合本系统的照明方式、光源和光电传 感器。 5 设计了啤酒液位检测系统的软件，并对样机应用于啤酒液位检测的速率做了 实验论证。 1 5 本章小结 本章阐述了视觉检测技术的发展和在工业生产中的应用。并对视觉传感器和 基于p c 的视觉检测系统做了比较，分析了视觉传感器的优势和在包装、灌装行 业中的应用。同时还阐述了啤酒灌装液位检测的意义和国内外的发展现状。最后 对本文的工作内容做了安排介绍。 天津大学硕士学位论文第二章视觉传感器样机的设计与分析 第二章视觉传感器样机的设计与分析 视觉传感器的研究是进行视觉检测的前提，其性能直接影响着最终检测的结 果。随着视觉检测技术的快速发展和应用领域的不断扩大，对视觉传感器的性能 和尺寸也提出了更高的要求，所以设计一款小型的、性能优越的视觉传感器就有 着非常重要的意义。 2 1 视觉传感器样机的系统构成 视觉传感器是完成视觉检测的核心。根据其功能要求，设计的样机系统框图 如图2 1 所示。系统从功能上可以分为核心模块和扩展模块。系统的核心模块可 以分为采集模块、处理模块和通信模块。扩展模块包括存储扩展模块、i 0 模块、 电源模块和显示模块( 带触摸屏) 等。整个系统可通过通信接口、内部周期触发、 触摸屏和i 0 接口外触发等，启动采集和检测命令。通过采集模块完成图像采集 并在d s p 内完成图像处理，并通过通信接口传至p c 机或其他控制设备，同时在 显示模块( l c d ) 上显示图像的处理结果。 采集模块：采集模块主要由c m o s 图像传感器o v 7 6 4 0 、f i f o 、c p l d 和 d s p 组成。由d s p 发出图像采集命令，通过c p l d 控制，采集进f i f o ，并通过 d s p 中的d m a 将f i f o 内的数据搬运到存储模块s d r a m 中。 处理模块：主要为d s p ( t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ) 芯片，完成图像的核心控制和 处理功能。v c 5 5 0 9 ac p u 最高时钟可以达到2 0 0 m h z ，内部有两个乘累加器m a c 和两个算术逻辑单元a l u ，使c p u 的最快操作数达到4 0 0 m i p s 。具有一条3 2 位程序数据总线，5 条1 6 位的数据总线和6 条2 4 位的程序和数据地址总线，这 种并行的多总线结构，使v c 5 5 0 9 a 在一个c p u 周期内可以完成一个3 2 b i t 程序 代码的读、3 个1 6 b i t 数据的读和2 个1 6 b i t 数据的写。在存储空间上，v c 5 5 0 9 a 具有1 2 8 k x l 6 的片上r a m 。其组成是：6 4 kb y t e s 的双向访问r a m ( d a r a m ) ， 1 9 2 kb y t e s 的s a r a m 。此外还有6 4 kb y t e s 片上r o m ，内部固化 b o o t l o a d e r 程序。外部最大可扩展1 6 mb y t e s 的s d r a m 的存储容量。 通信模块：通信模块共有三个通信接口：串口、u s b 和以太网。串口是低 速接口，主要用于简单处理结果传输和系统调试，增加系统的适用性。由于5 5 0 9 a 内部集成了u s b 2 0 模块，并且u s b 2 0 具有高速和通用性，是一个非常值得开 天津大学硕士学位论文第二章视觉传感器样机的设计与分析 发的接口，由项目组的另外成员开发，这里不再赘述。以太网为系统网络化的核 心接口，传输图像数据和处理结果于视觉网络。将在下一章对网络通信模块做重 点介绍。 ， 存储扩展模块：主要由f l a s h 和s d r a m 组成。由于5 5 0 9 a 内部没有 f l a s h ，所以必须外扩f l a s h 来存储系统运行的程序以及一些数据。s d r a m 主要用来存储采集的图像数据和图象处理结果。 存储模块 图2 1 视觉传感器样机系统框图 显示模块：显示模块主要由l c d 、l c d 控制器、触摸屏和触摸屏控制器组 成。显示图像的处理结果，起监视作用，方便系统在实际使用时发现和排除故障， 尤其当系统为单系统使用时。此外，系统在初始安装时，可以利用l c d 的显示 进行调焦。而触摸屏则增加了系统的可控性和交互性，方便人机控制。其由项目 组的另一位成员开发，这里不再赘述。 i o 模块：i o 模块主要用于系统的输入和输出控制，通过i o 模块，可以同 步外围设备的触发，完成系统的检测任务，并通过i o 输出控制信号。 电源模块：系统为多电源供电系统，该模块为系统提供稳定的电压和充足电 流的电源，尤其是l c d 的电源，增加了对上电顺序的要求。 天津大学硕士学位论文第二章视觉传感器样机的设计与分析 2 2 视觉传感器样机系统方案的设计 2 2 1 图像传感器及采集方案的设计 本系统中采用的是美国o m i n i v i s i o n 公司生产的c m o s 图像传感器o v 7 6 4 0 作为图像采集源，该芯片是一款最高分辨率为6 4 0 4 8 0 ( 3 0 万像素) 图像矩阵的彩 色芯片，可工作在彩色和黑白两种模式，逐行扫描时为3 0 帧s ( v g a ) 。并具 很强的摄像和控制功能，如曝光控制、y 校正、增益、色彩矩阵、窗口选择等。 所有这些功能都可以通过1 2 c 接口进行编程控制。 图2 2f i f o 缓冲采集方案 本系统中采用的是f i f o 缓冲方式的采集方案。d s p 对图像的读取速度一般 都大于图像的产生速度，所以可以采用一片f i f o 进行缓冲，以完成低速设备与 高速设备的匹配，来完成图像的采集任务。图2 - 2 为f i f o 缓冲采集方案的框图。 图像传感器在c p l d 的控制下向f i f o 写入数据，d s p 在f i f o 中的数据达到一 定数量时，读取其中的数据进行处理或存进s d r a m 。此方案操作方便，传输效 率高。但缺点是，f i f o 没有地址线只能顺序读写，不能随机访问。并且f i f o 和 s d r a m 占用同一个数据通道，采集和处理的并行性较差。 2 2 2 数据存储方案的设计 在系统的存储扩展模块设计中，主要外扩了一片f l a s h 和一片s d r a m ， 用于程序代码和图像数据的存储。 选用s s t 公司的5 1 2 kb y t e s ，数据总线宽为1 6 b i t 的f l a s h 芯片 s s t 3 9 t 4 0 0 a 。由于在本系统使用的d s pv c 5 5 0 9 a 是l q f p 的封装，其只有1 4 条地址线，对于数据宽度为1 6 b i t 的异步存储器，每个外部存储空间只支持1 6 k 字( 3 2 kb y t e s ) 的存储空间寻址。要想寻址5 1 2 kb y t e s ，则再需要4 根g p i o 线 来扩展寻址空间。 图2 3 即为5 5 0 9 a 与f l a s h 连接示意图。本系统中将f l a s h 配置在c e i 天津大学硕士学位论文第二章视觉传感器样机的设计与分析 空间上，并且在时序上采用了最差情况设置( 即最慢访问速度) ，充分保证了时 间裕量，使得程序代码被顺利的加载到d s p 的内存中。在对f l a s h 烧写时，由 于是离线烧写。对速度没有要求，所以对于e m i f 的c e l 空间访问时序没有过 于严格要求，只要保证充分的访问时间裕量即可。 s d r a m 是一种高密度，高速率的同步动态r a m 。它按行和列的方式来组织 存储阵列，并通过行列地址对数据进行读写。其主要特点是：l 、同步访问，读 写操作需要时钟；2 、动态存储，芯片需要定时刷新。由于采用同步接口和完全 流水线的内部结构，具有极大数据传输速率，主要缺点则是控制访问比较复杂。 d s pv c 5 5 0 9 a 的e m i f 支持8 mb y t e s 和1 6 mb y t e s 容量、宽度为1 6 位的 s d r a m ，配置灵活。在系统中，选用h y n i x 公司的4 m x l 6 b i t 的s d r a m h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 b 。图2 4 为s d r a m 和d s p 的连接示意图。 5 5 0 9 a c e l c e f l a s h冬 a w e e a o e o e a r e a 1 3 ：0 一a 1 3 ：0 】 g p l 0 3 ：0 】a 【1 7 ：1 4 d 1 5 ：0 】d q 1 5 ：0 】 、jx 图2 3d s p 与f l a s h 连接框图 由于每个片选的最大空间为4 mb y t e s ，所以8 mb y t e s 容量的s d r a m 需要 两个片选空间。本系统中用c e 2 和c e 3 ，由于s d r a m 只有一个c s ，所以c e 2 与之相连，c e 3 悬空。具体的访问时序设置，通过s d r a m 的控制寄存器s d c l 、 s d c 2 配置来实现。 2 2 3 显示方案的设计 5 5 0 9 “ c e 2 s d r a m瓠 i c s c l k m e mc l k ，s d r a s7 r a s s d c a s 7 ： s d r e1w e a 0i ；a 1 ： a 1 3_ b a 0 a 1 2a 1 l s d a l 0a 1 0 a d i 1 1 0 5 ：0 1 l q 9 ：0 】 b 亡【1 ：o j 一 ! 9 u 玉9 j ； x f 一、弋 图2 4d s p 与s d r a m 连接框图 液晶显示模块采用的是基于专用液晶控制芯片的控制方案。液晶控制芯片， 是专门针对液晶图形显示应用而设计的芯片。该类芯片具有如下特点：( 1 ) 内 置显示存储器；( 2 ) 可以直接连接l c d 控制器；( 3 ) 支持多种m c u 接口； ( 4 ) 天津大学硕士学位论文 第二章视觉传感器样机的设计与分析 高集成度。该方案的连接方式如图2 5 所示。此方案中，液晶控制芯片与d s p 的 接1 2 1 简单，并且无需外接r a m 作为显示缓冲区。当芯片各个寄存器进行初始化 后，d s p 的图像数据可在l c d 上连续显示。并且，液晶控制芯片具有小尺寸、单 芯片等优点。满足便携式设备尤其是对尺寸敏感的视觉传感器的需求，是解决视 觉传感器图形显示的完美方案9 1 。 图2 5 基于液晶控制器的控制方案 选用的液晶控制芯片为s s d l 9 0 6 ，其内部r a m 空间为1 2 8 k 字( 2 5 6 k b y t e ) ， 但是寄存器与r a m 不在一个存储区，需要m r 管脚来选择，这样，对于s s d l 9 0 6 就相当于2 5 6 k 字的寻址空间，需要1 8 根地址线，v c 5 5 0 9 a 只有1 4 根地址线，因 此就需要4 根g p i o 线来扩展地址线。具体连接方式如图2 6 所示。 a f o ：1 3 】冬| a f o ：1 3 】 狡 g p i o 0 ：2 】 _ - a 【1 4 ：1 6 】 ， g p l 0 3_ - l m ，r d 【o ：1 5 】 _卜i d o ：1 5 】 ”二 c e o一_ | 卜i c s a w e _- 卜陌惟d a r e 一- 卜r d c l k o u t一_ 卜| c l 日 n r pr r d l q n 6 、x 图2 6d s p 与s s d l9 0 6 的连接框