（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的图像处理系统及其在糖厂ph值检测中的应用.pdf

摘要 基于d s p 的图像处理系统及其在糖厂p h 值检测中的应用 摘要 p h 检测是制糖工业中的重要工序。为了在糖厂的澄清工序 上控制糖汁的p h 值在6 9 到7 1 范围内，就必须进行p h 值的检 测。而p h 值检测的传统的方法都是由人工或电极传感器来实现 的，往往容易造成电极在清洗和重新标定方面维护工作量大和频 繁更换的问题。针对于此，本文提出了用一种基于d s p 的实时图 像处理系统取代传统电极传感的方法。该实时图像处理系统完全 摆脱了微机的束缚，在a d 、d a 转换器、同步动态r a m 等相关 外围器件的配合下，完成对图像的采集、处理以及显示等相关工 作，实现了“嵌入式”，并且具有体积小、成本低、工作可靠等 优点，可以有效克服电极更换带来的不便，提高生产效率和生产 的自动化程度。 本文介绍了这套p h 检测系统的结构、原理、硬件电路以及 软件设计，论述了系统的总体设计方案。并对以t i 公司 t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 型d s p 和电荷耦合器件c c d 为核心的信号检测系统 和以c y g n a l 公司c 8 0 5 1 f 2 3 1 型的单片机为核心的控制系统作了 详细的介绍。同时通过实验得到了在一定条件下的p h 值与色值 的对应关系。最后，对本课题的研究做了总结及深层展望。 关键词：数字图像处理t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 一d s pc 8 0 5 1f 2 3 1c c d t a b s t m c t t h ea p p l l c a t l 0 no fl m a g e p r o c e s so n 了h e8 a s l so fd s pl n p hm e a s u r el ns u g a rf a c t o r y a b s t r a c t t h ec h e c ko fp hi st h ei m p o r t a n tw o r kp r o c e d u r eo ft h er e f i n es u g a ri n d u s t r y f o rt h es a k eo fw i t h i nt h es p 器o f6 9t o7 1o fp ho fn e u t r a l i z a t i o nj u i c ei n d e f e c a t ew o r kp r o c e d u r eo ft h es u g a rf a c t o r y , w em u s tp m c e e dt ot h ec h e c ko fp h h o w e v e rt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fc h e c kp hi s8 l lt h a tt ob ea c h i e v e db ym a n u a lo r e l e c t r o d es e n s o r , u s u a l l yr e s u l to ft h a ti sb i gw o r k l o a da n df r e q u e n t l ye x c h a n g eo f e l e c t r o d e i nv i e wo f t h i s 。t h ep a p e r p u t f o r w a r da 醢蠢o f r e a l t i m e i m a g ep r o c e s s i n g s y s t e mi np l a c eo f t r a d i t i o n a le l e c t r o d e t h es y s t e mg o ta w a yf r o mt i eo f c o m p u t e r c o m p l e t e l y , w h i c hc o o p e r a t ew i 攮s o m e r e l a t i v ep e r i p h e r a l ss u c ha sa da n dd a c o n v e r t o r , s d r a m ta c c o m p l i s hg a t h e r ，d i s p o s a la n dd i s p l a yo f i m a g ep r o c e s s i n g r e a l i z e ”e m b e di n t ot y p e ”a n dh a v es o m em e r i t ss u c ha sl i t t l ev o l u m e , l o wc o s t c r e d i b l ew o r k i tc a r lc o n q u e r e f f i c i e n t l yi n c o n v e n i e n c eo f e x c h a n g e o f e l e c t r o d ea n d e n h a n c e p r o d u c ee f f i c i e n c ya n d a u t o m a t i z a t i o n d e g r e e t h e p a p e ri n t r o d u c e ss t r u c t u r e , p r i n c i p l e , h 越d w a r ec i r c u i ta n ds o r w a r ed e s i g n o fm i ss e tc o n t r o ls y s t e mo fc h e c kp h a n dd i s c u s st o t a ls c h e m eo ft h i ss y s t e m t h e r eh a sap a r t i c u l a ri n t r o d u c t i o nt os i g n a ls u r v e ys y s t e mt h a tt h ed s pa n dc c d c h i pa r et h ei m p o r t a n tc h i pa n dc o n t r o ls y s t e m t h a tt h ec 8 0 5 1 f 2 3 1i st h ec o r ec h i p a tt h es a m et i m ew eh a v em a d ea r le x p e r i m e n tt of i n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n b e t w e e np ha n dc o l o ro nc e r t a i nc o n d i t i o n a t1 a s tih a v em a d eas u m m a r i z a t i o na n d m o r ev i e wt ot h er e s e a r c ho f s y s t e m k e yw o r d s ：d i g i t a li m a g op r o c e s s ；n g ：t m s 3 2 0 c 6 2 0 4d s p ：c 8 0 5 1 f 2 3 1 ：c c d i i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：王盔 日期：础i ! ：! i 导师签名：盔。送金 f ：i 期：丝丛：6 ：! 第一章引言 第一章引言 1 1 课题的背景、研究意义和内容 1 1 1 课题的背景 在制糖工业中，制糖的工艺一般分为压榨、澄清、蒸发以及煮炼等工 段。而其中最重要的是澄清工段，在这一工段中最重要的是控制中和罐中 糖汁的p h 值，所以p h 值的测定是非常重要的。 传统的制糖生产过程中，糖汁p h 值测量通常采用比色法( 借助于p h 试纸、试剂等) 和电位测定法( 借助于p h 计) 。p h 计测定的是电极系统 的电动势，多数采用金属氧化物电极系统( 以锑电极为主) 和玻璃电极系 统。在制糖过程中，糖汁的碱度是由c a o 形成的，因此电极的表面很容易 被c a c 0 3 覆盖形成积垢，尤其是采用亚硫酸法的甘蔗糖厂，电极的积垢速 度及其垢的硬度是非常惊人的。采用碳酸法的糖厂，尽管电极的积垢的情 况不像亚硫酸法那样严重，但是如果不进行有效的刷洗一一机械刷洗或化 学清洗，电极系统将无法工作。糖汁p h 测量的这一积垢特点给p h 的测 量带来很大的困难。 例如，在采用玻璃电极时，糖厂必须在每班用盐酸清洗一次，否则测量精 度将受到严重影响。玻璃电极具有灵敏度高，测量准确，不受干扰因素影响等 优点是有条件的，即电极的薄膜部分必须始终处于无垢的透明状态，否则上述 优点就不存在。因此玻璃电极在糖厂使用时必须进行频繁的清洗，因为玻璃电 极的机械强度很低，不能进行机械清洗，只能采用频繁的酸洗法。这样一来， 一方面经常损坏电极，另一方面就是使电极加快疲劳和老化，表现为反应不灵 敏，并降低了使用寿命，增加了使用成本。而目前在糖厂采用的较多的金属氧 化物电极( 钼、钨、锑) 中，以锑电极的应用较为广泛，虽然它坚固便于机械 清洗，但它抗干扰能力差，电位不够稳定，所测的精度也较低。 目前国内大多数糖厂所采用的p h 控制系统多存在上述所说的电极更 换频繁的问题，而且p h 值的检测还是主要依靠操作人员的人眼和工作经 验。针对于此，我们提出了一种新型的控制方法一一将基于d s p 的数字图 像处理系统应用到糖厂中和p h 值控制系统的设计中。 第一章引言 2 谍舔豹磷究意义 由于目前多数糖厂中检测p h 值主要依靠操作人员的人眼和经验或电 极传感器，丽鼠普遍存在嘏极在标定秘清洗方面维护量大、更换快的问题， 麓建磅究耨羹豹p 籍捡涮方法是菲鬻存意义豹。 在我们设计的检测系统中采用了熬于d s p 的数字图像处理系统，利用 它来检测p h 值具有处理速度快，控制效果好等优点，同时可以解决多数 糖厂中存在的毫摄在标定_ 耱清洗方嚣维护量大、熨抉抉戆翊题。 在实际制糖领域方磷，广西是我困最大酶糖鼗基趣，甘蔗种植瑟积超 过8 0 0 万亩，全区有制糖硷业1 0 0 多窳，年产糖3 6 0 3 8 0 万吨，约占全国 惑产量的4 5 ，我们尝试慕用图像处溅的方法来控制p h 值，这样一方面 节省劳魂杰，簿低霹捺佟入受援戆秘王俸经验兹嚣簧求；要一方藩还会鬃 决电极易老化、更换快的问题，使糖的质量得到掇高，由此带来经济效益 也是非常可溉的。 。3 课瑟豹谤究内容 本课题的研究内容包括： ( 1 ) 设计基予t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 d s p 的图像处理系统； ( 2 ) 交诗戳c 8 0 5 1 f 2 3 1 蘩片税惫孩豁蕊冀豹控稍系统； ( 3 ) 研究图像处理算法，利用该算法对图像进行特征提取； ( 4 ) 研究p h 值与透过率之间的关系，找出两者之间存在的一一对应关系， 驮嚣褥到颜色鸟蹦篷豹瓣墩关系； ( 5 ) 研究单片视控制执稚机构静控制葬法； 我在整个课题的研究中主要完成以下工作： ( 1 ) 熟悉并掌握基予t m s 3 2 0 c 6 2 0 4d s p 的图像处理系统的硬件电路和软 捧编程及羹终潮电路懿蕊茸瓣功戆； ( 2 ) 设计以c 8 0 5 1 f 2 3 l 单片机为核心芯片的控制系统的硬件电路的原理 圈与p c b 图，确定选型器件，并对单片机完成的控制功能用汇编语言进行 软俘缀程； ( 3 ) 对p k 与颜色之问斡关系进行研究。由于不同颜色的溶液对光源的透 过率是不同的，所以找到透过率与p h 的对应关系就可以得到色值与p h 值 2 第一章引言 豹关系； ( 4 ) 找到念适的软件算法在图像中进行特征提取，用予分离杂质点以便 子进一步研究。 窆数字圈豫处理豹发溪 数字图像处理【4 】的发展是随着计弹机技术的发展而发展、壮大的。最早 发表有关计箨枧图像处理信息的文章黉追溯到2 0 世纪5 0 年代，丽作为商 疆纯静銎像焚理系统，葵密瑰在2 0 缴纪6 0 年代来。鍪豫憝联系统蕊发震 十分迅速，蕻最主要的原因在于计算机的高速发展。从1 9 8 1 年的第一台 美国i b m 公词的p c 微机发展到现农的奔腾微机，其惊人的发展速度，极 大戆接交了蹬缳处理系统豹发震。舅个方嚣，拳导嚣器 孛鹣避猛发展擐 促进了图像处理系统静发展。这主骚袭现在处理器的处理速度的提高和存 储器存储容嫩的增大，i 耐二者恰恰愚图像处理系统的关键所程。 图像处邂系统分通用图像处理系绫和专用图像处理系统。在通用图像 楚建系统方纛，藏图像簸瑾系统懿穗炭秘综合特煮来说，在辩润上，大致 可以划分为三个阶段【4 】： 第一阶段的时间大体上是2 0 世纪6 0 年代末劁8 0 年代中期。这些系 统采强祝麓茂绪擒，体积大，掺揍聚赛。 第二除段的时间大体上是2 0 煎纪8 0 年代中期到9 0 年代初期。这个 阶段的主要特点是采用的是插卡式，借助于微机的插槽来进行图像的采集 鞠处理。如美国i m a g i n gt e c h n o l o g y 公司推出的p c v i s i o n 翻像卡，d t 公司箍密鹣d t 2 8 5 1 醒缳卡疆及中溺酶孛莺秘学院垂动证酶究所磅究豹 c a 系列图像卡，清华大学研究成功的t h 系列图像卡等都具商这个特点。 第三阶段大体是从2 0 世纪9 0 年代初期开始的。这一阶段的主流方式 憝激擞瓿p c i 慧线窝毅爨像压缩爆翰必特蠡兹图像逮禳方式。冀一方嚣， 图像处理硬件系统和徽机之间的数据传输主要在i s a 总线上进行。 3 数字圈像处理系统 图像处瑷系统简介： 3 第一章引言 图1 - 1图像处理系统一般结构 f i g u r e l 1i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e ms t r u c t u r e 一般图像处理 5 】系统框图如图卜1 所示，主要由三部分构成，即图像输 入部分、图像输出部分以及图像处理部分。将图像处理系统进行抽象，它 普遍如图所示，具有图像采集、显示、存储、通信、处理和分析的功能。 原始的图像数据是通过图像采集部件进入计算机的，因此，图像采集 部件的作用是采集原始的模拟图像数据，并将模拟信号转换成数字信号。 计算机在接收到图像的数字信号后，将其存入内存储区。微机图像处理系 统常用的图像采集部件有摄像机加上视频图像采集卡、图像扫描仪以及数 码摄象机等。 图像的显示输出是图像处理的最终目的。从广义的角度讲，图像的输 出形式可以分为两种：一种是根据图像处理的结果作出判断，例如质量检测 中的合格与不合格，输出不一定以图像作为最终形式，只需作出提示供人 或机器作出选择。这种提示可以是计算机屏幕信息，或是电平信号的高低， 这样的输出往往用于成熟研究的应用上：另一种则是以图像为输出形式的， 它包括中间过程的监视以及结果图像的输出。图像输出方式有屏幕输出、 打印输出和视频硬拷贝输出。 1 3 1 图像输入部分 图像输入部分包括图像传感器以及a d 转换器等。它的作用是把一副图 像转换成适于处理机操作的数字化( 或称为量化) 图像，即把传感器获得的 模拟信号，经过取样、量化，变为离散的数字图像信号，最后以二维矩阵 的形式送入处理机中。常用的传感器包括t v 摄像机、飞点扫描器、折像管、 显微光密度计以及半导体传感器等，其中半导体传感器是用的比较多的一 种，特别是近几年来，半导体传感器在数字图像处理中用的越来越广泛。 半导体传感器是利用半导体材料的物理特性变化而实现检测转换的。 当光照射物体时，投射到传感器光敏面上的光强随物体的变化而产生相应 的分布变化图案，它的输出与均匀光强有明显不同，利用它们的反差量化 4 第一章引言 靛可获褥最嚣瓣蓬豫羧爨。 半导体传感器不仅勃子感受外界信息的作用，并转换为魄信号，而鼠 响应速度快、体积小、藏量轻，便于实现集成化和功能化，特别是近几年 来，半导体传感器的一种发展趋势是内图像化方翔发展。自1 9 7 0 年提出c c d 器俸淤来，瓣蓠已研涮漱各种二维静蘑像传感器，许多垒嗣亿盼摄像器俸 ( 如m o s 型、c c d 型、c i d 型) 以及各种扫描方式( 如x y 寻址式、c c d 帧传式、 c c d 内线式等) 目前均已商品化。典烈的c c d 电视摄像机，可以每秒2 5 帧( 或 3 垂囊) 夔速率糖摄每犊7 5 2 ( 零平) x5 8 2 ( 垂壹) 豫豢魏毫涛褒透动彩色銎像。 采用c c d 丽阵传感器的数字式彩色照相机，可以用高达4 0 0 0 ( 水平) 3 0 0 0 ( 垂直) 像素的分辨举拍摄静止的( 单帧) 彩色数字图像。 ，3 ，2 图像楚逢帮势 图像处瑷部分是图像处理系统的中间环节，宦担负着接收输入设备传 送来的图像，并对其进行加工、处理、然后把计算结果( 图像和数据) 送剥 羧耄设冬中去戆强务。凑手不露豹藏建嚣豹，戮及输入图像瓣攥模窝掰嚣 处理模式的不同，图像处理机可以商许多种不同的选择。它旗至可以小到 为了特定用途而设计的微处理机，大到能够在高分辨率图像眸列中完成备 摊功能的计算瓤系统，这其中影响嘲攮处理机系缆结掏豹主鬟参数是掰霰 数据酶吞睦熬。对一般旋糟酶实验塞来说，毒予举需要离兹器畦量，困敖， 经常采用常舰的微型计弹机作为图像处理机。对于图像处理_ 濑说，由于处 理的都是大的图像阵列数据，这就需溪大的数据器吐量，而般的存储系 绞葵豢小，不是激来缌决强缳夔存赣弱题。霾藏为了菸决这令突塞熬矛嚣， 就要建立一个适宜的有效的大容量存储系统，以存放巨大的图像阵列数据。 最常见的两种存储介质怒磁带和磁擞，它们构成不同的存储屡次，以改善 数据传输速发。 1 3 3 图像输出部分 在图像处理系统中，图像输出部分的功能是搬处理机中存储的数字降 舞变换为逶予人 】理瑟熬影式，主要鹣辕窭设备蠢e 簸显示嚣、蠢窜援戳及 阴极射线管锌。c r t , 显示器用来把一幅存储在处理机中的图豫，变换成可以 在电视监视器( c r t ) 上鼠示出来的一幅视频图像。c r t 显示是图像的软拷贝， 5 第一章引言 京巍及酎遮显示蓬像约竣入秘处理结浆并送抒壹缓译竣，这怼交互式图像 懿理尤为重黉，同时也给程序调试带来很大方便。 下图是的图像处理系统的原理图： c 鞠存德器磁盘打印辍 j j 1总线 j f e3 f lc c 。摄像机卜t 叫 图像采集板图像样储图像显示 主土 输入监视器输出显示器 凌l 五霉镶楚攫系统 f i g u r e l 2i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 6 第二章p h 与色值关系的研究 第二章p h 与色值关系的研究 在国内部分传统的糖厂中，p h 值的测定还是过多的依靠操作人员，操 作人员先采样糖汁，然后滴加专用的化学试剂，通过眼睛观察糖汁颜色的 变化，根据比色法得出当前采样的糖汁的p h 值。而且在糖厂中，需要每 隔几分钟就要测定一次当前糖汁的p h 值，因此依靠比色法的工作量是很 大的。在国内外很多现代化的糖厂中采用电极传感器的自动化控制系统来 检测p h 值，虽然避免了采用比色法时工作量大的问题，但又存在电极易 老化、反应不灵敏、测量结果不准确等缺点，从而导致电极更换比较频繁， 造成了使用寿命低、费用高的问题。 因此，我们采用图像处理的方法检测p h 值就避免了工作量大和电极 更换频繁的问题。而且利用图像处理检测p h 值具有反应速度快，测量结 果准确等优点。为此，我们需要找到p h 值与色值之间的单值对应关系， 下面我们通过实验找出这个对应关系。 2 1 实验过程 通过分光光度训7 】和p h 酸度计对采样的试剂进行全波段的实验，找出 在透过率和p h 值之间比较符合单调性的波长，那么在这些波长对应的光 的照射下，相应的透过率与p h 值之间就有一种一一对应关系。由于糖汁 的p h 值基本全部在5 5 到8 之间，所以所测几组数据也全部在此范围内。 试验过程如下：先配置一份p h 值在7 左右的中性溶液( 接近于从中 和罐中流出的中和汁的p h 值) ，采集一小部分该溶液放入分光光度计的测 量容器中，在分光光度计中调整它相对应于空气的透过率为1 0 0 ，再次采 集同样部分该溶液，往该溶液中滴加化学试剂，然后用分光光度计看它对 应的透过率值，随着糖汁的p h 值的变化记录相应的透过率值。 在全波段的条件下，通过实验来测量透过率与p h 值的对应关系，从 得到的数据中不难发现随着p h 值的单调变化透过率值也呈大致单调变化 的波长，选出这些波长，分别是4 7 0 n m ，4 8 0 n m ，4 9 0 n m ，5 3 0 n m ，5 5 0 n m ，5 7 0 n m ， 6 4 0 n m ，我们在这些波长下再次作实验来验证这种单调变化。 7 第二章p h 与色值关系的研究 通过实骏数攥来看，4 7 0 h m ，4 8 0 n m ，4 9 0 h m ，6 4 0 n m 波长下，程p h = 6 4 8 列8 1 4 范阐内透过率的数值太小或者是局部变化不呈单调变化，丽在 5 3 0 h m ，5 5 0 n m ，5 7 0 n m 波长下，在p h = 4 8 7 到8 1 4 范围内透过率的数值基 本上是线性变化的，这说明在这三种波长下，随着透过试剂的透过率不同 ( 帮颜色不溺) ，p h 遣鞭骜稠塞交纯。矮震，我稻设毅这三耱波长为翻， 灏新再测量一遍。 为了找到透过率与p h 值之间的确定的一一对应关系，在测量时要求 簿次p | 豹交纯冀常，l 、，爆量匏通过多次兹溺量慕技弱嚣者之瓣鹣难确关 系。 实验数据如下表所示： 袭2 一l5 3 0 n t o 、5 5 0 h m 、5 7 0 h m 时透过率与p i 毽的对应表 透渡 、遗 5 3 0 n r a5 5 0 n r n5 7 0 n t o 4 2 77 5 。58 8 49 4 。7 4 7 97 5 18 8 o9 4 0 4 9 87 4 88 7 7 9 3 4 5 ，1 67 4 58 7 。l9 2 5 5 3 77 3 68 5 7 9 0 7 5 6 67 1 88 2 98 6 。4 5 。8 27 0 。8 8 0 ，68 3 。4 6 0 56 8 - 37 6 57 7 4 6 _ 3 56 2 86 3 46 4 4 6 。5 l5 9 26 0 。8 5 2 4 6 6 85 7 95 6 34 9 0 6 8 25 4 。2 5 0 54 2 ，o 6 ，9 35 0 ，4 4 4 + 53 5 。l 7 0 9 4 3 83 5 82 5 6 8 第二章p h 与色值关系的研究 7 6 03 2 22 1 r 81 2 6 7 8 42 6 41 5 78 0 7 9 32 6 21 5 o7 6 8 2 02 3 91 3 16 3 8 5 32 1 o1 0 54 9 8 6 82 0 71 0 - 34 5 8 9 02 0 5l o 14 4 9 3 52 0 49 84 3 从这次的数据我们可以清楚的看出，在5 3 0 n m ，5 5 0 n m ，5 7 0 n m 三种波 长下，随着p h 值的单调递增变化，透过率的数值是呈单调递减变化的， 因此两者之间肯定存在着一一对应关系。 2 2 实验结果分析 我们用e x c e l 软件将这种单调变化转化成曲线，图形如下： 2 0 o 卜一目 o o 图2 - 1p h 与透过率关系曲线 f i g u r e2 - 1t h er e l a t i o nc u r v eb e t w e e np ha n dp e r m e a t i o nr a t e 从图中我们可以清楚的看到p h 值与透过率之间有一一对应的非线性关系 9 第二章p h 与色值关系的研究 即p h 值与色值之间也肯定有这种一一对应关系，从上图我们可以看出，波长为 5 7 0 r a n 时图形的效果更好些，我们根据这个实验选用波长为5 7 0 n m 的可见光作 为课题研究中提到的光源。 根据5 7 0 n m 波长下p h 与透过率的关系曲线，我们在最有用的p h 值 为5 5 到8 的范围内利用最小二乘法拟合这个曲线的解析式，我们选回归 方程为： y - - a x 2 + 6 x + c 这里x 代表透过率，y 代表p h 值。 则我们拟合曲线的解析式： y = 0 0 0 0 1 x 2 0 0 0 4 5 6 x + 8 6 1 5 1 ( 2 1 ) 解析式( 2 - 1 ) 就是p h 值与透过率之间一一对应的函数表达式，利用 它我们就可以建立p h 与透过率的一一对应关系。 通过验证我们可以知道在我们感兴趣的p h 值的范围为5 5 8 5 之间， 透过率与p h 值之间的关系可以用解析式( 2 1 ) 来计算，因此在我们选定 的实验条件下，可以认为透过率与p h 值之间存在一一对应关系。所以， 我们利用图像处理的方法来检测p h 值的方案是可行的，从而能够取代以 往的电极传感的方法。 l o 第三章糖厂中和p h 检测系统的总体方案 第三章糖厂中和p h 检测系统的总体方案 针对于目前大多数糖厂在p h 检测方面采用的电极传感器的方法存在着电 极易老化、不灵敏和更换比较快的问题，我们提出了用图像处理的方法取代以 往电极传感器的设计方案。在这个设计方案中我们选用c c d 芯片作为图像的采 集芯片，这样我们就可以在采集到的图像中通过图像处理算法来分离图像中的 无用部分得到我们感兴趣的部分进行迸一步的分析，而用一般的光电传感器就 不能对采集的图像进行分离杂质点的处理。基于这个设计思路，我们设计的糖 厂中和p h 检测系统的基本原理图如下。 3 1 糖厂中和p h 检测的基本原理图 下图3 - 1 是设计的p h 检测系统的原理图，该系统主要由图像处理系统、单 片机控制系统和c c d 及其控制电路等构成，其中执行机构、推杆的动作和试剂 的点滴由单片机( 我们选用c 8 0 5 1 f 2 3 1 ) 来进行控制，c c d 摄像头在选定的 光源的照射下将采集到的图像传到基于d s p 的图像处理系统中进行分析，然后 系统会输出反馈信号给单片机，从而由单片机控制执行机构，改变石灰或s o ， 的加 图3 - 1p h 值检测系统原理图 f i g u r e3 - 1t h ec o n t r o ls y s t e ms c h e m eo f p h 第三章糖厂中和p h 检测系统的总体方案 3 2 糖厂中和p h 检测系统的总体结构 以上介绍了p h 控制系统的原理图，从信息的流向来看，该系统的总 体结构由信号采集部分、图像处理部分和系统控制部分三部分组成。 以下简要介绍各部分的功能： 3 2 1 信号的采集部分 信号的采集部分是整个图像处理系统的基础，只有获得真实的信号， 才谈得上以后的处理，因此，该部分主要负责对外界信号的准确采集。 而将外部世界的各种信息转变成易于测量和控制的信号，就需要用到 传感器。图像的采集就要用到图像传感器，图像传感器按照结构可以分为 两类：c c d 型和c m o s 型传感器。前者采用光电耦合器件构成，后者采 用金属氧化物器件构成，两者都采用光电二极管结构感受入射光并转换为 电信号，区别在于输出电信号所用方式不同。成像方面：在相同像素下c c d 的成像通透性都好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而c m o s 的产品 往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自 身物理特性的原因，c m o s 的成像质量和c c d 还是有一定距离的。 所谓的c c d 8 l 【9 ( c h a r g e d c o u p l e dd e v i c e ) 是电荷耦合器件，它是一种以电 荷包的形式存储和传递信息的半导体表面器件，c c d 的突出特点是以电荷作 为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。c c d 的基本功能 是电荷的存储和电荷转移。因此，c c d 工作过程的主要问题是电荷的产生、存 储、传输和检测。 c c d 工作原理：c c d 上面有很多光敏元件，每一个感光元件叫做一 个像素( p i x e l ) ，像素在必要的光学系统和合适的驱动电路的作用下将外界 图像转换成电信号，然后输出以及存储。因此成像质量的好坏，像素数是 一个很重要的指标，另外c c d 尺寸、灵敏度、信噪比等都是衡量c c d 质 量好坏的指标。 c c d 图像测量技术是一种视频测量技术。它通过自身扫描和光电转换 功能将空间的光强分布转换为时序的图像信号，并根据确定的时空参数间 的相互关系获得物体空间分布状态数据。c c d 摄像器件是c c d 图像测量 的核心器件，它具有体积小、重量轻、功耗低、空间分辨率和灵敏度高、 光谱响应宽、动态范围大、成本低等优点，己成为现代光电子学和现代测 1 2 第三章糖厂中和p h 检测系统的总体方案 试技术中最活跃的传感器，被广泛的应用于各种光电测量系统中。 相比较而言，以往普通的光电传感器不能用来对图像进行分离杂质等相 关的处理，又基于c c d 在图像处理方面的优点，因此我们选用了光电耦合 器件c c d 作为本课题研究中的图像采集芯片。 3 2 2 图像的处理部分 该部分是整个系统的核心，所谓的图像处理就是对采集到的图像利用 软件算法进行图像的有效特征提取，即将图像中的无用的部分分离出去从 而得到我们感兴趣的有效部分，然后我们就可以对这有效的图像部分进行 识别和处理，这样做可以减小因各种干扰带来的误差，还可以提高p h 检 测的可靠性。 图3 2 是该部分的原理框图，图中的微处理器是整个图像处理系统的 控制核心，它通过对a d 转换器的控制，把由c c d 产生的信号通过缓冲 器后采集进来，然后存储在数据存储器内。控制器根据实际需求对采集获 得的数据进行各种所需的处理，通过另一片缓冲器，把处理后的数据送至 d a 转换器，通过对d a 转换器的控制，把处理结果在显示器中显示出来。 图3 - 2 图像处理系统的原理框图 f i g u r e3 - 2 i m a g e - p r o c e s s i n gs y s t e ms c h e a n eb l o c kd i a g r a m 1 3 第三章糖厂中和p h 检测系统的总体方案 3 2 3 系统的控制部分 的， 整个系统能否正常的协调工作，完全是在此部分的协调控制下进行 它的主要工作是： 通过单片机接收d s p 发送过来的反馈信号； 用单片机控制试剂的点滴和机械推杆的动作； 用单片机根据d s p 的反馈信号通过p i d 算法来控制执行机构的动作， 增大或减小阀门的开度，达到控制s 0 2 和石灰的进量的目的； 协调各部分硬件正常工作； 1 4 第四避糖厂中和p h 检测系统的硬件实现 第四章糖厂中和p h 检测系统的硬件实现 本章主要介绍中和p h 检测系统的硬件缡构设计与实现，主要包括： 该检测系统的基本构成； 各个模块的说明以及硬件实现； 4 1 系统的基本构成 从圈3 1 中可以看出，该系统是以信号检测系统( 包括d s p 和c c d 等) 和单片枧控臻系统为核心髂系统，按各郝功能的不霹可以分炎以下几 个部分： a 1图像处理部分 b )c c d 及其控制转换电路部分 c )单片机控制部分 以上备部分磁是在t m s 3 2 0 c 6 2 0 4d s p 和c 8 0 5 1 f 2 3 1 单片机的控制下 来完成对糖汁的p h 的检测和执行机构的控制的任务。 4 2 各部分的说明以及硬件实现 以下详细说明个部分的具体实现方法和相应的硬件电路： 4 2 甏豫楚毽部分 4 2 1 1d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 图像部分静捩i i 部 警是徽控涮器t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 i 8 j 【l l l 【1 2 】f l 朝，它在整个 控制系统中主要怒完成梭测的功能在撩个图像处理系统对采样的图像进 季亍裾应静处理鑫，d s p 将褥到的p h 检灞餐通过遴信方式传给单片视 c 8 0 5 1 f 2 3 1 燃后幽单片机完成相应的控制动作。可以说d s p 在这中间起了 承上窟下豹作矮，鬣协嗣存褚器、竞电稻台器粹c c d 完戒鬻像酌采集和 处理的任务，又将检测到的结果发送给单片机，在单片机的控制下来究成 整拿控制系统豹渗调动露。 下图4 1 是我们设计的图像处理系统的硬件原理圈： 1 5 第四章糖厂中和p h 检测系统的硬件实现 p 圈 图4 1 图像处理系统硬件结构图 f i g u r e4 - 1i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m h a r d w a r ed i a g r a m 由此可见其功能为： 接收和解释控制命令； 负责各器件的协调工作： 完成对采集到的图像的特征提取等的相关处理； 正因为其作用非同小可，决定该图像处理系统能否高质量的完成，所 以对微控制器的选择是至关重要的，就本课题而言，图像的采集以及后来 的处理都要涉及大量的信号，这些都要求微处理器要有较高的处理速度， 除此之外微处理器合理的硬件结构对系统的设计和实现也具有积极作用， 芯片的高的性能价格比也是考虑的一个因素等等，综合考虑以上各个因素 后，该系统选用的是美国t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的高性能数字信号 处理芯片( d s p ) 一一t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 ，之所以选用该芯片，因为该芯片具有 强大的软硬件结构以及开发系统 d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 的硬件和软件编程的功能都十分强大： 硬件【1 3 1 该芯片c p u 采用超长指令字( v l i w ) 结构，在每条长达2 5 6 b i t 的指 令字中规定了许多条流水线、多个处理单元的并行操作，通过增加片内指 1 6 第四章糖厂中和p h 检测系统的硬件实现 令级并行度获得高性能。 2 c p u 内核具有两个乘法器、6 个算术逻辑单元，各功能单元可以并 行工作，共享3 2 个3 2 位通用寄存器；片内集成了1 m b i t 的高速存储器； 最快5 n s 指令周期，峰值处理速度达1 6 0 0 m i p s 。 3 3 2 位外部存储器接e l ( e m i f ) ，可方便的、无缝的与多种类型的存 储器件连接。 4 两个3 2 位的定时器，两个多通道缓冲口( m c b s p ) ，不仅可以完成 标准串口的全双工串行通信，还可以支持多种协议下的直接接口。 5 具有3 2 位的扩展总线( x b ) ，它支持与异步外设、异步同步f i f 0 、 p c i 桥以及外部主控制器等的接口，同时还提供灵活的总线仲裁机构，可 以由内部进行仲裁，也可以由外部逻辑完成，在结构上分成i o 口接口和 主机口接口，它在d m a 的控制下可以与e m i f ( 在c p u 控制下) 同时工作，这 样无形之中就进行了总线和c p u 的扩展。 6 具有d m a 控制器，它支持4 个独立的d m a 可编程通道和一个辅助通 道。 软件1 3 i i 可以并行操作，在c p u 运行时，总是一次取8 条指令，组成一个 取指包，通过和合理安排，这8 条指令可以并行执行，使得峰值处理速度 1 6 0 0 m i p s 。 2 高级语言开发。t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 不仅能用汇编语言进行开发，同时可 以使用c 语言或者c 十+ 语言等高级语言进行开发，使得开发速度大大提高， 同时t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 提供的代码产生工具和优化工具，可以将高级语言开发 的代码转化成机器语言，这种转化效率非常高，在不需要人工调整的情况 下，可以达到手工编写汇编代码的7 0 8 0 。 4 2 1 2 数据缓冲器 本图像处理系统中，d s pt m s 3 2 0 c 6 2 0 4 对a d 转换数据的采集以及 对处理后的数据输出( 输往d a 转换器) ，所使用的数据通道都是 t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 的扩展总线x b ( e x p a n s i o nb u s ) 。t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 的扩展总线 x b 是在h p i 的基础上发展起来的，它也是一条外部总线，可以作为外部 1 7 第四章糖厂中和p h 检测系统的硬件实现 存储器接口e m i f ( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ) 的一个补充，在减轻e m i f 负 担的同时也提高了数据吞吐率。扩展总线的宽度是3 2 b i t ，共管辖四个x c e 外部空间，这四个空间可以独立设置，可以支持与异步外设、异步同步 f i f o 、p c i 桥以及外部主控处理器等接口( 四个接口在配置为输出接口时， 可以与f i f o 器件之间进行无缝连接 1 5 ，即不需要额外的逻辑器件，但是 在配置为输入接口时，仅x c e 3 口可以与f i f o 进行无缝连接，当然在一 些逻辑器件的配合下，其他三个端口也可以作为输入端口使用) 。它同时 还提供了灵活的总线仲裁机制，可以内部进行仲裁，也可以由外部逻辑完 成。另外，扩展总线x b 是在d m a 的控制下完成对外数据交换的，因此 可以认为t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 有两套独立的硬件系统在工作：e m i f ( 可以由c p u 或者d m a 控制) 和x b ( 仅由d m a 控制) ，这样t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 对外数据的 处理和交换能力上都有了大的提高。 本系统在数据缓冲【1 4 1 【”】部分采用的是t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 扩展总线x b 的 同步f i f o 接口，在数据输入和输出时各占用一个接口。数据缓冲器件采 用的是i d t ( i n t e g r a t e dd e v i c et e c h n o l o g y ) 公司的i d t 7 2 v 3 6 4 0 。 i d t 7 2 v 3 6 4 0 1 6 】是i d t 公司的l k 3 6 b i t 的先入先出双向同步f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 缓存器件，其工作频率可以高达1 6 6 m h z 。其引脚结 构如图4 - 2 所示”1 ( 样为低电平有效) 。 i d t 7 2 v 3 6 4 0 图4 - 2i d t 7 2 v 3 6 4 0 结构图 f i g u r e4 - 2d i a g r a m o fi d t 7 2 v 3 6 4 0 1 8 第四辩糖厂中和p h 检测系统的硬件实现 l 。d 8 羚n ，q o q n 分翻是数掇输入、竣窭线，箕建数霹戳逶过弓l 瓣 进行配置，如表4 一l 所求； 2 r c l k 、w c l k 分别是同步工作时的读、碍时钟信号； 3 。w e n # 、r e n # 、o 裂分别是霹信号、读信穆以及输出铸号且低电平 脊效； 4 m r s # 、p r s # 分别是主复位和部分复位，在主复位时可以选择芯片 妁工作模式f w f t ( f i r s tw o r df a l lt h r o u g h ，在复位后的第一个写操作时， 霹入夔数攥会嚣藏送入毒鑫爨缓；孛爨，褥不是仅终辫在疼落存镶零元中，一 旦执行读操作，数据马上出现在总线上) 或者i d t ( s t a n d a r dt i m i n g ，f i f o 复位后，写入的第一个数据会进入存储单元中，此时输出缓冲器为空。当 避章亍第一次读操箨时，数据会进入输出缓狰器；麓= 次读操露辩，在缓冲 器中静数摇方会被输窭 模式；部分复健露可敬溺来把输入、输出寄存嚣 指针置零，同时清空输出寄存器： 5 f f # i r # 、e f # o r # 、h f # 分别是满输入凇备好、空输出准备好和 半滚蠡恚； 6 p a e # 、p a f # 分别为可编程几乎空、可编稷几乎满标志； 7 l d # 鼹有两种功能，在主复位时决定p a e 撑和p a f # 的偏移量，主复 馥以后，傻熊编穆寄存器豹读和写； 8 i p 决定奇德位的位置。在圭笺位对i p 位低逛平选择连续奇福位， 若为高电平则选择间隔舒偶位： 9 b e # 选择端位，b e # 为高电平选择小端位( 即数据的低字节出现在 数据线懿低像线上，裹譬节出瑗在舞经线土) ，稳窀平蘩选掭大凌霞( 帮 数据的低字节出现在数据线的高位线上，高字节出现在低僚线上) ，这样 可以与一些控制器件进行灵活的连接； 增。f w f t s i 具有嚣耪功能，在生复蕴辩尾采选择f w f t 绒考i d t 模 式，复往完成后用来输入偏移寄存嚣静僮； 1 1 r t # 用来设置输出寄存器指针为零； 1 2 i w 、b m 、o w 用来配置输入、输出总线的宽度，其配鬣飕表4 1 。 1 9 籀四章糖厂中和p h 检测系统的硬件实现 表4 1i d t 7 2 v 3 6 4 0 数据总线黯宽度配置 v ii wo ww r i t ep o r tw 铂t 1 】r e a dp o r tw i d t h lllx