（通信与信息系统专业论文）大米品质动态检测算法的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 我国对大米品质的检测还停留在人工拣选阶段，效率低，缺乏客观性，延长了稻谷 分级的周期，提高了复杂性。 课题针对这一问题，设计了大米品质的动态检测设备，大米品质动态检测设备是以 x i l i n x 公司的s p a r t e n 3 e 系列x c 3 s 5 0 0 ef p g a 芯片和高速线阵c c d 传感器为核心，利 用线阵c c d 进行在线动态扫描下落的大米，对采集到的大米图像信息进行形态参数的 特征提取，完成合格大米和不合格大米的分类筛选和整精米率等大米品质指标的测算， 使大米品质的动态检测具有可行性。 大米品质动态检测设备的硬件设计包括f p g a 核心电路的设计；线阵c c d 驱动电 路的设计；图像数字转换器的接口电路设计。 大米品质动态检测算法研究主要分为两大部分：一部分是在大米动态检测过程中涉 及的快速成像算法研究，主要包含图像滤波算法的研究( 中值滤波快速算法和小波去噪 算法) 、基本图像处理算法的研究( 二值化、边缘提取算法) ；第二部分是7 个大米图 像参数提取及其解算算法的研究，在大米直径测算中提出了中心边缘旋转搜索算法， 降低了经典搜索算法的复杂度，达到了快速计算的效果，在5 m s 内完成整精米的分类。 理论算法的f p g a 实现，采用v e r i l o g 和v h d l 语言进行硬件电路描述，利用i s e 8 2 、 s y n p u f yp r 0 7 2 和i s e 自带的仿真工具，对各模块，算法进行设计、仿真、实现。并用 c h i p s c o p ep r 0 8 2 嵌入p 内核，对程序进行下载并完成解算结果的在线调试。 经过对大米品质动态检测设备的在线调试和实验，已经完成了c c d 的驱动、大米 动态图像的采集、图像参数的提取和解算和整精米率的测算，可以正确的检测整精米， 并使检测的正确率达到9 0 以上。 关键词：大米动态检测；f p g a ；图像处理；形态参数；整精米率 大米品质动态检测算法的研究 t h er e s e a r c ho nr i c eq u a l i t yd y n a m i cd e t e c t i o na l g o r i t h m a b s tr a c t m o s tt h em e a s u r i n go fa p p e a r a n c eq u a l i t yo fr i c ei no u rc o u n t r ys t i l lr e l i e so nm a n u a l w o r ks o r t i o n ，w h i c hl a c k se f f i c i e n c ya n d o b j e c t i v i t y s o i te x t e n d st h ep e r i o do fp a d d y c l a s s i f i c a t i o na n di n c r e a s e sc o m p l i c a t i o n i nr e s p o n s et ot h i si s s u e ，r i c eq u a l i t yd y n a m i cd e t e c t i o ne q u i p m e n ti sd e s i g n e d ，w h i c hi s b a s e do nx i l i n x ss p a t t e n 3 es e r i e sx c 3 s 5 0 0 ef p g a c h i p sa n dh i g h - s p e e dl i n e a ra r r a yc c d s e n s o r s t h ef u n c t i o no fd e t e c t i o ne q u i f i m e n ts c a n st h ef a l l i n gr i c ei nh i g hs p e e db yc c d s e n s o r , t h e ne x t r a c t sf e a t u r e so fm o d a lp a r a m e t e r sf r o mc o l l e c t e dr i c ei m a g e s ，f i n a l l ya c h i e v e s t os o r tq u a l i f i e da n du n q u a l i f i e dr i c ea n dc a l c u l a t er i c eq u a l i f i e di n d e x ss u c ha st h eh e a dr i c e m i l l i n gr a t e s ot h a ti tm a k e sf e a s i b l et od y n a m i cd e t e c t i n g t h eq u a l i t yo fr i c e t h eh a r d w a r ed e s i g no fd e t e c t i o ns y s t e mi n c l u d e st h ec o r ec i r c u i to ff p g a ；d r i v ec i r c u i to f c c d ；t h ei n t e r f a c ec i r c u i to fd i g i t i z e r 。 t h er e s e a r c ho nd e t e c t i o ns y s t e mi sd i v i d e di n t 0t w om a i np a r t s o n ep a r ti sr e s e a r c h e so n s p e e d yi m a 酉n gt h e o r i e sa n da l g o r i t h m sd u r i n gt h ep r o c e s so fd e ed y n a m i cd e t e c t i o n ，w h i c h i n c l u d e si m a g ef i l t e r i n ga l g o r i t h m s ( s u c ha sm e d i a nf i l t e r i n ga l g o r i t h ma n dw a v e l e td e n o i s i n g a l g o r t h m ) ，t h eb a s i ci m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ( s u c ha se d g ed e t e c t i o na l g o r i t h m ) ；t h e o t h e rp a r ti si m a g ep a r a m e t e r se x t r a c t i o na l g o r i t h m ( 7p a r a m e t e r sm e n t i o n e di nt h ep a p e r ) a n d t h eh e a dr i c em i r i n gr a t ec a l c u l a t i o na l g o r i t h m c e n t e r - e d g er o t a t i o ns e a r c h i n ga l g o r i t h mi s m e n t i o n e di nd i a m e t e ro fr i c ed e t e c t i o n ，w h i c hr e d u c e sc o m p l i c a t i o no fc l a s s i ca l g o r i t h m t h e r e s u l t so fc l a s s i f i c a t i o nc a nb eo b t a i n e di n5 m s a l g o r i t h m sr e a l i z e so nf p g ac h i p s t h e h a r d w a r ed e s c r i p t i o ni sr e a l i z e di nv e r i l o ga n dv h d ll a n g u a g e u s i n gt h ep l a t f o r mo f i s e 8 2 s y n p l i f yp r 0 7 2s o f t w a r eh a sc o m p l e t e dt h es i m u l a t i o n ，s y n t h e s i s ，i m p l e m e n t a t i o n a n dc o n f i g u r a t i o no fe v e r ym o d u l e i ti se m b e d d e di pc o r e sb yc h i p s c o p ep r 0 8 2t od o w n l o a d t h ep r o g r a ma n da c c o m p l i s ho n - l i n ed e b u g g i n g a f t e rc o n d u c t i n ge x p e r i m e n t sa n dd e b u g g i n go n l i n e ，w eh a v ec o m p l e t e dt h ed r i v e ro ft h e c c d ，r i c ed y n a m i ci m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g ep a r a m e t e r so ft h ee x t r a c t i o na n dh e a dm i l l i n g r i c er a t ec a l c n l a t i o n t h ed e t e c t i o na c c u r a c yr a t ei so v e r9 0 k e yw o r d s ：r i c ed y n a m i cd e t e c t i o n f p g a ；i m a g ep r o c e s s i n g ；m o d a lp a r a m e t e r s ；h e a d r i c em i l l i n gr a t e i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 起走益厦盘态丝丝毫蔓乏去五i 砬丝 一 作者签名：型点日期：型竺年芝月签日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文题目： 走挫毯丝叁垄金i 堡! l 墨i 叁豳赶丝 作者签名：垂蝗 日期：之竺星年z 三月正日 锄摊：菇牛 嗍：且年上月 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 稻谷是亚洲许多国家的主要农作物产品，有其是在南亚和东南亚地区，由于热带季 风气候比较适合稻谷生产，因此大米成为这些国家主要生产作物。中国是大米生产和大 米消费的大国，大米在中国不仅是维持全国人民生活的重要物质原料，也是创造经济效 益的重要农作物i 。中国于2 0 0 1 年1 2 月1 0 日正式登上w t o 历史舞台，随着贸易自由 化进程的加速，农产品贸易列入了乌拉圭合谈谈判的管辖范围，为适应贸易自由化进程 加速的形式，增强稻米在国际市场的竞争能力，必将促进中国优质稻米产业的快速发展。 我国的稻米产量居世界第一，而与粮食产量相比，由于品质的影响，中国大米目前 还无法问鼎世界优质大米市场，在整个大米市场中也只有较低的市场占有率。出口量1 0 0 万吨以上的国家有泰国、越南、美国、巴基斯坦、中国、印度，这6 个国家出口量占世 界出口量的8 1 2 ，其中泰国出口6 2 8 6 万吨，占世界出口量的2 6 4 ；越南出口3 5 1 4 万吨，占世界出口量的1 4 8 ；中国出口2 9 5 万吨，占世界出口量的1 3 ；美国出口2 8 8 4 万吨，占世界出口量的1 2 1 ；巴基斯坦出口2 0 1 万吨，占世界出口量的8 4 ；印度出 口1 5 4 3 万吨，占世界出口量的6 5 1 2 1 。造成出1 2 1 量呈逐年下降趋势的其中一个重要原 因就是谷物品质检测技术落后，我国的大米的品质检测还停留在人工拣选阶段，导致品 质指标的确定缺乏客观性和科学性，使出口谷物混等混级，良莠不齐，缺乏竞争力。因 此，国家适时修订和发布了新的国家标准：稻谷g b l 3 5 0 1 9 9 9 ，代替之前颁布的稻 谷g b l 3 5 0 1 9 8 6 ) ) 。该标准提出的稻米加工品质包括出糙率和整精米率两项指标，其中 整精米率最重要，对整体品质的影响很大，与垩白度、直链淀粉含量和食品品质并列为 4 项定级指标。 而对于大米相关指标的计量，我国还停留在人工操作的阶段，很多人为的因素和主 观判断，给整精米率的测算带来了误差。随着计算机技术的飞速发展，机器视觉技术比 人工肉眼观测有极大的优势和发展空间，速度快、精度高、重复性好，使自动化识别和 拣选成为必然趋势。将机器视觉和图像处理技术应用于大米的形状识别和大米整精米率 等指标的测算，形成商业化的仪器已经成为可能。 1 2 国内外研究现状 在农产品的品质检测方面，国外的研究较早。机器视觉技术起源于2 0 世纪6 0 年代， 进入7 0 年代，在理论和应用上都得到了长足的发展。由于饮食结构的不同，欧美一般 对小麦和玉米等农产品研究较多，而亚洲国家日本、泰国和韩国则对稻米的研究较多。 大米品质动态检测算法的研究 国外目前的研究主要分为两种：一是对大米加工精度的检测，另一种是对大米质量 的检测分级。在对大米加工精度的检测方面：1 9 8 1 年u m e t a n i 讨论了用于识别形状最基 本的图像特征。1 9 8 2 年p a v l i d i st 提出了结构分析法和外形轮廓曲线检测法2 种形状识 别模式，为计算机视觉应用于形态识别奠定了基础。2 0 世纪9 0 年代中期，l i uw 【3 】利用 图像处理技术检测大米精度，一共检测样品6 8 0 粒，准确度达到0 9 8 1 9 ；2 0 0 1 年，y a d a v b k 4 i 通过对静态大米图像提取米粒形态特征，如米粒长度、周长、投影面积等，以此计 算整精米的数量，监控碾米机；在对大米质量检测分级的方面：日本大学森岛博教授研 究了大米中整粒、碎粒、异色粒、有裂痕粒的识别和分级方法，以及不同品种大米的识 别方法【5 j 。在1 9 8 5 年，z a y a sl y 等使用了对比谷粒尺寸和形状特征的算法，它采用一 个小型空间转换器来检验被测对象相对于参考性状的情况，提供了一种使他们的几何特 征量化的直觉方法，这种使用预先定义模板的而为相关方法亦成为尺寸与形状检测的经 典算法使用至今。形态学图像处理方法则使用一些简单的基本结构元素来进行操作实现 对象的判断，是一种直观的形状检测方法。在1 9 9 0 年，m c d o n a l dt 等探讨了形态学图 像处理方法在农业上的应用，并使用形态学的处理方法进行了玉米粒大小的区分，植物 叶识别和牛肉纹理分析，证实了该方法的可行性，之后，用相似的形态学方法，n e u m a n m 等人成功区分了小麦的种类。在2 0 0 0 年w a nyn 【6 】等用范围估计、神经网络、h v b i r d 算法分别对大米质量检测，准确率已达到9 1 。在谷物检测装置的研究方面，国外已经 有了商品化的仪器，如瑞典f o s s 公司的1 6 2 5 型自动化谷物品质分析仪，日本株式会社 k e t t 科学研究所的米谷粒辨别器【5 j 等。 国内的大米检测研究主要集中在大米的外观品质、加工品质上，检测的算法研究的 比较多。包晓敏r 7 】分别用r o b e r t s 算子、s o b e l 算子、p r e w i t t 算子、模块匹配法和快速模 糊边缘检测法对大米轮廓进行边缘检测。刘光蓉【8 】通过对大米图像的增强，利用八邻域 分析法提取大米轮廓。侯彩云【9 】等利用三维图像处理系统定性描述了粒型、垩白度、透 明度等外观、品质参数。凌云研究了一种基于极坐标的粒型检测方法，将米粒近似为椭 圆，通过对椭圆区域的长短轴计算，实现粒型检测。在硬件装置上，侯彩云开发出一套 计算机图像处理系统软件，专门用于优质稻米分级指标整精米率、垩白粒率、垩白度、 粒型等参数，用扫描仪获取图像。凌云则采用c c d 摄像机、嵌入式工业控制计算机对 垩白度、垩白粒率、黄米粒和粒型参数的检测，达到了较高检测精度。 当然，在稻谷品质检测过程中还存在着许多问题亟待解决。 ( 1 ) 在目前已有的大米品质检测中，大多数属于静态检测系统，对于大米图像的获 取仍为静态图像。而在实际的大米检测过程中大米是动态下落的，这就增加了处理和分 析的复杂性。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 在已有的大米检测系统中，对大米的姿态摆放有一定的要求，随机的大米摆放 会导致采集到的图像发生变化，对大米图像特征信息的提取就增加了困难性。动态特征 的提取和识别，是在线大米品质检测的关键。 1 3 本课题主要研究的内容 本课题主要是针对大米品质的动态检测系统的设计和研究。该动态检测系统的主要 任务是采集动态的大米图像信息，提取和识别动态特征，控制和形选大米，同时测算大 米的整精米率等指标。该动态检测系统由高速的线阵c c d 传感器获取大米的动态图像 信息，f p g a 芯片作为主控制和解算处理器，m a t l a b 实现算法的仿真。本文具体完成的 工作如下： ( 1 ) 动态检测系统的硬件设计 以f p g a 为核心的硬件电路设计。 相关外围电路的设计。 ( 2 ) 动态检测系统的算法研究及其f p g a 实现 图像数据的采集以及对图像的小波去噪、滤波。 大米图像的二值化处理。 图像边缘提取，对多种算法的边缘提取进行比较，确立最终方案。 基于图像边缘的大米特征提取，选定能够提高分辨力的特征参数。 大米的直径检测算法的研究，以及整精米率的测算。 根据特征参数，完成合格大米的识别 ( 3 ) 在硬件和软件设计完成后，利用m a t l a b 对算法部分进行了仿真，并用v h d l 语言对算法进行了硬件实现。同时还下载配置f p g a ，借助x i l i n x 公司的在线片内逻辑 分析工具c h i p s c o p e 对系统进行在线调试，并验证了仿真分析的结果。 大米品质动态检测算法的研究 2 大米品质动态检测系统 2 1 大米品质动态检测系统工作原理 大米品质动态检测系统是对光电分选机的研究基础上设计的，利用光电分选机，调 整大米的下落姿态、对大米图像动态扫描、由f p g a 进行图像识别处理和气枪信号控制 等功能，最终实现对大米品质的检测。 分选机工作前，用户通过人机交互界面( 触摸屏) 设定物料的分选参数。分选过程中， 物料首先由进料斗通过电磁振动给料器配送到各个分选通道中，然后滑过溜槽，并依靠 重力落到固定位置处，进入光学系统。光学系统在灯光的照射下，采用先进的双面 p h o t o s e n s o r ( 光学传感器) 检出技术对物料进行动态扫描，并将c c d 输出的视频信号经高 速a d 转换后进行图像识别处理，给出判别结果和次品的位置信号，该信号产生的延时 时间差正好等于被选物料从视镜下落至喷射器之间的时间差，当次品到达喷射器位置 时，气枪喷嘴喷射高速气流，将次品吹出，使其落入次品槽，而合格品继续下落并进入 出料斗，从而完成物料的一次分选。为了提高分选精度，落入次品槽的物料还可进行二 次分选，同时在分选过程中，还可以通过触摸屏对分选参数进行重复调节，以使分选效 果达到最佳。图2 1 为分选过程示意图。 o 一合格晶i l l 一吹品 图2 1 分选过程示意图 f i g 2 1 s k e t c hm a po ft h es o r t i n gp r o c e s s 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2 系统的组成与结构 电控系统 弓一电磁振动给料系统1一供料系统 主 | ，- 爿 图像识别系统 l 光电系统 控 t 制 古 器 ，_ 叫 气枪控制系统 i 一分选系统 _ 叫大米指标测算系统 ：i j 图2 2 整机系统结构框图 f i g 2 2 s t r u c t u r ec ：b a no ft h ew h o l es y s t e m 大米品质动态检测设备主要可以分为4 部分：供料系统、光电检测系统、分选系统 和电控系统。系统的结构组成如2 2 图所示。 2 2 1 供料系统 供料系统的作用是为光学系统的观察检测和分选系统的分选工作提供保障。它调节 待选的物料( 大米) 下落的姿态和间隔，保证物料在下落的过程中的流速和姿态都保持相 对的稳定，在观察区内能够实现连续扫描，在分选区能够方便剔除。 2 2 2 光学系统 光学系统是大米品质动态检测设备的关键部位，其作用主要是对待选物料进行光学 检测分析，为分选系统提供准确无误的分选信息。它一般由光源、背景板、接收器和镜 头组成。目前常用的光源有荧光灯、氙灯和钠灯等。背景板选用的颜色应接近于合格品 颜色，并且通过调节其角度，使背景板产生的反射信号与合格品产生的反射信号近乎等 效，以达到较好的分选效果。接收器即光电传感器，可将接收面上的光信号转换成电信 号。c c d 是一种由很多微小的光电传感器构成的阵列器件，与硅光电池相比，硅光电 池虽成本低廉，但分辨率低，对有小病斑的颗粒及浅色杂质识别能力较差，而c c d 是 一种由很多微小的光电传感器构成的阵列器件，与硅光电池相比，具有较高的分辨率， 得到广泛应用。 大米品质动态检测算法的研究 2 2 3 分选系统 分选系统主要是将光学系统检测发现的次品即不合格品分选剔除，由电控系统控 制。对于颗粒状物料的分选，常用的方法主要是用压缩空气喷吹，当物料进入分选系统 后，合格品沿正常轨道排出，次品则被气枪喷嘴发出的脉冲式压缩空气吹离正常运动轨 道，而落入疵品槽。所以要获得准确无误的分选，就要求分选系统从接收光学系统分选 信号到分选机构动作这一延时时间要与物料从检测点到分选点的运动时间相匹配。 2 2 4 电控系统 电控系统又可分为：主控制系统、圆形电磁振动给料系统、图像识别系统和气枪控 制系统。电控系统控制着整机各机构的工作，例如对物料流量进行调节、对光学系统的 检测参数进行设置、对工作参数进行存储等，是触摸屏系统与其他系统通信的媒介。电 控系统的实现近些年来，一般都采用先进的微处理器代替传统的模拟电路，从而降低对 操作人员的依赖性，提高系统的自动化程度。 2 3 大米品质检测系统的整体结构设计 通过对大米品质检测设备的工作原理和结构的介绍，大米品质检测系统的核心就是 对图像快速成像的控制和快速图像识别算法的实现。主控制器、分选控制系统、光电检 测系统、图像识别系统、圆形电磁振动给料系统和气枪控制分选系统组成了大米品质检 测系统的控制系统，各个系统的协同工作完成大米的形选和大米指标测算等功能。主控 制系统控制和管理其它三个系统，及温度、电源电压、开关信号、指示灯等外围电路， 调节背景板的角度等。 系统上电后首先进行初始化，工作时当有大米单粒落下时，线阵c c d 扫描，采集 下落大米图像的信息，图像识别系统对大米图像信息进行分析和识别，若为次品则发送 一个电信号。同时，在一个样品结束分选后，其大米整精米也完成自动分离。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 3 大米品质检测系统的硬件设计 3 1f p g a 的原理与发展 f p g a i l 啦! 2 1 是f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( 现场可编程门阵列) 的缩写，它和 c p l d ( c o m p l c xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 都属于p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。 最早的可编程逻辑器件是p r o m 、e p r o m 和e e p r o m 三种，之后出现了结构稍 复杂的可编程器件，即p l d 。由于任何数字逻辑都可以用于逻辑和逻辑或表示，因此很 自然的想到仅仅用与或门来实现可编程逻辑。p l d 即是与门和或门组成的阵列，p l d 有如下两种典型产品： ( 1 ) p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) s - - 个可编程与平面和一个固定的或平面构成， 主要实现的工艺有反熔丝、e p r o m 和e e p r o m 等。 ( 2 ) p l a ( p r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ) 有固定的与平面和或平面构成，其两个面的连接 是可编程的。 随着微电子技术的发展，系统设计师们更愿意自己设计出专用集成电路( a s i c ) 芯 片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好在实验室就设计出合适的a s i c 芯片， 并且立即投入到实际应用中，因而出现了现场可编程逻辑器件( f p l d ) ，其中最广泛的当 属复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) 。 3 1 1f p g a 的原理与特点 f p g a ，即现场可编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上 进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，及解决 了定制电路的不足，又客服了原有可编程器件门电路数优点的缺点。 f p g a 的工作机理1 1 3 l 基于查找表( 【d o k u p ，i a b l e ，l u t ) ，l u t 其实就是一个r a m 。 目前很多f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成是一个又4 位地址 线、大小为1 6 x l 的r a m 。它主要由以下几个部分组成【1 4 1 ： ( 1 ) 可编程逻辑块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) ； ( 2 ) 可编程输脯出模块i o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) ；。 ( 3 ) 可编程内部连线p i ( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t ) 。i o 模块分布在芯片四周，它是 内部逻辑和芯片封装脚之间的接口。逻辑单元通过程序定义内部联接关系，完成用户所 需的逻辑功能，逻辑单元与逻辑单元、逻辑单元与外界的连接关系以及矩阵开关的状态 都通过程序定义。f p g a 借助于可编程内部连线p i 把功能比较简单的逻辑块连接在一 起，从而实现复杂功能电路的设计。 大米品质动态检测算法的研究 豳 日 图3 1f p g a 的结构框图 f i g 3 1 f p g aa r c h i t e c t u r ec h a n 本系统的处理器采用的x c 3 s 5 0 0 e 是s p a r t a n 3 e 系列的f p g a ，封装是f g 3 2 0 ，主 要特性有： ( 1 ) 内部时钟频率可达3 2 6 m h z ，可提供9 3 1 2 个逻辑单元，5 0 万个系统门。 ( 2 ) 支持多达1 7 种的单端接口标准和6 种差分接口标准。输出信号的摆幅范围可 达1 1 4 v 和3 4 5 v 。 ( 3 ) 高性能的内部存储器s e l e c t r a m 结构。每个块存储器容量为1 8 k b ，并且是完 全的双口存储器结构。最多可提供2 1 6 k b 的块存储器资源，以及3 0 k b 的分布式存储器 资源。支持高性能的外部存储器接口，这些结构包括s d 刚d d r 、s d 鼬址邪r a m 、f c r a m 和c a m 接口等。 ( 4 ) 专用的1 8 位1 8 位乘法器模块和超前进位逻辑链( l o o k - a h e a dc a r r y ) 构成了高 性能的算术处理功能。 ( 5 ) 多达4 个数字时钟管理器模块和8 个全局时钟多路复用缓冲器，构成了丰富的 时钟资源，从而可提供灵活的系统时钟解决方案。 ( 6 ) 片内的数字化阻抗匹配技术和可编程输出电流，克服了因阻抗不匹配造成的系 统不稳定性问题。 本系统中采用的x c 9 5 2 1 6 和x c 9 5 1 0 8 都是x i l i n x 公司x c 9 5 0 0 系列的c p l d 。 x c 9 5 0 0 系列产品采用快闪存储( f 弱t 膦h ) 技术，支持j t a g 测试和在线系统编程， 具有高密度、高性能、驱动能力强、引脚锁定等特点。x c 9 5 0 0 系列产品在功能结构上 匝口口口口口口d口匝 d 口口0 d 凸0 口口口口口0口口口凸口d口d口口口口口口口口口口口 口乜d廿d d d d d一口百口口口口口&丘0口口d口口m 大连理工大学硕士学位论文 和f p g a 的基本相同。x c 9 5 0 0 系列器件的基本结构包括：功能模块( f u n c t i o nb l o c k ) 、 输入输出接口模块( i ob l o c k ) 和互连矩阵( f a s t c o n n e t ) 。其中功能模块由宏单元构成， 每个宏单元可以实现一定的组合逻辑或寄存器功能。x c 9 5 2 1 6 在资源上包含2 1 6 个宏单 元，而x c 9 5 1 0 8 包含1 0 8 个宏单元。 3 1 2 开发流程及i s e 8 2 集成工具介绍 x i l i n x 作为当今世界上最大的f p g a ，c p l d 生产商之一，长期以来一直推动着 f p g p l d 技术的发展。其开发的软件也不断升级换代，由早期的f o u n d a t i o n 系列逐 步发展到目前的i s e l 0 x 系列。本课题选用i s e 8 2 开发环境，i s e 是集成综合环境的简 称，是x i l i n x 提供的一套工具集，其集成的工具可以完成整个f p q v 凹l d 的开发过程。 i s e 8 2 的集成工具主要分为设计输入工具，仿真工具，综合工具，实现工具和辅助 设计工具5 类。 ( 1 ) 设计输入工具 设计输入是工程设计的第一步，本设计设计工具采用v h d l 的输入设计方式。 ( 2 ) 仿真工具 本设计中的仿真工具采用的是m o d e l s i m6 1 和i s e 自带的测试激励生成器h d l b e n c h e r 。m o d e l s i m 是一个独立的仿真工具，并且在工作的时候并不需要其他软件的协 助，在i s e 集成开发环境中给m o d e l s i m 仿真软件预留了接口，通过这个接口可以从i s e 集成环境中直接启动m o d e l s i m 工具进行仿真。 ( 3 ) 综合工具 本设计采用s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f yp r o7 2 作为i s e 集成的综合工具完成综合过 程。综合过程包括两个内容：一是对h d l 源代码输入进行编译与逻辑层次上的优化， 二是对编译结果进行逻辑映射与结构层次上的优化，进而生成逻辑网表。 ( 4 ) 实现工具 x i l i n x 的实现过程分为：翻译( t r a n s l a t e ) 、映射( m a p ) 、布局布线( p l a c e r o u t e ) 3 个 步骤，因为只有器件开发商最了解器件的内部结构，所以实现步骤必须选用器件开发商 提供的工具软件。 f p g c p l d 的配置模式与c p l d 不同，f p g a 是基于门阵列方式为用户提供可编 程资源的，其内部逻辑结构的形成是由配置数据决定的。这些配置数据通过外部控制电 路或微处理器加载到f p g a 内部的s r a m 中，由于s r a m 的易失性，每次上电时，都 必须对f p g a 重新配置，在不掉电的情况下，这些逻辑结构将会始终保持，从而完成用 户编程实现的功能。 大米品质动态检测算法的研究 f p g a 采用主串( m a s t e rs e d a l ) 、从串( s l a v es e r i a l ) 、从并( s l a v ep a r a l l e l ) 、主并 ( m a s t e rp a r a l l e l ) 、j t a g 等方式进行配置【1 5 】，具体配置模式可以通过设置f p g a 的m 2 、 m 1 、m 0 引脚的电平。本课题采用的是j t a g 和主串( m a s t e rs e r i a l ) 配置模式配置。当 采用主串配置模式时，系统采用的外部配置存储器芯片是x c f 0 1 s 。 3 2 大米品质检测系统的硬件整体结构 大米品质检测设备是集光、机、电一体化设计的设备，包含主控制器、供料系统、 光电检测系统( c c d 传感器) 、分选系统、电控系统等。本课题主要是针对光电检测系统 和图像识别系统的设计。系统以高速线阵c c d 器件和x i l i n x 公司的f p g a 芯片 x c 3 s 5 0 0 e 为核心设计了一套完整的光电检测系统。其系统硬件包括线阵c c d 传感器 ( r l l 0 2 4 p ) 、c c d 驱动电路、相机电源模块、串行通信模块、c c d 数字图像转换器 ( m 9 8 l 5 9 ) 、f p g a 处理器、c p l d 转接板等。检测系统的硬件整体结构框图如图3 2 所示。f p g a 采用的是x i l i n x 公司的x c 3 s 5 0 0 e ，封装f g 3 2 0 ，配置芯片采用的是x c f 0 1 s 。 转接板c p l d 采用的是x c 9 5 2 1 6 ，转接板的功能包括将主控制器的命令传送给相机控制 板( f p g a 处理器) 外，还接收处理器的检测信号驱动l e d 显示。由图3 2 所示，检测系 统分为c c d 传感器的时序逻辑和电平驱动、图像数字转换器、c p l d 转接板和配置芯 片。 图3 2 检测系统的硬件框图 f i g 3 2t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fd e t e c t i o ns y s t e m 3 2 1c c d 传感器的时序逻辑和电平驱动电路 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 中文译为电荷耦合器件，1 9 6 9 年由美国贝尔( b e l l ) 实 验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 发明的。它的基本结构是一种密排的m o s ( m e t a lo x i d e 大连理工大学硕士学位论文 s e m i c o n d u c t o r ) 电容器，能够存储由入射光在c c d 像敏单元激发出的光信息电荷，并能 在适当时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，从而完成从光信 号到电信号的转换。当目标通过光学系统在c c d 光敏区上成像时，入射光子被象元吸 引，同时产生一定数量的光生电荷，在光积分期间，这些光生电荷被存储在彼此隔离的 相应象元的势阱中，每个象元势阱中所积累的光生电荷数，与照射在该象元面上的平均 照度( 勒 克斯 ) 和光积分时间( 秒) 的乘积即曝光量成正比。在电荷转移期间，各个象元 中的光生电荷，通常是按奇、偶数分配同时转移到设置在象元上下两侧的移位寄存器中， 然后在传输脉冲的控制下，依次转移到输出端，电荷包通过输出二极管转换成信号电压， 并把两列象元信号依次重新排列，最后输出一帧完整的图像视频信号，完成行扫描，这 就是线阵c c d 图像传感器的工作原理【1 6 】。 本课题选用的c c d 器件是r l l 0 2 4 p ，r l l 0 2 4 p 是p e r k i n e l m e r 公司生产的p 系列高 速单沟道线阵c c d 图像传感器，具有低噪声、高速度和高灵敏度等优点。它是具有二 相c c d 读出寄存器的线阵1 0 2 4 象元摄像器件，每个光敏单元的尺寸为1 舡m 。它需要 6 路驱动信号，即复位信号s r g 、转移信号s t g 、两相时钟信号s h l 和s m 、光电信号s p g 、 电子曝光控制信号s a b 。r l l 0 2 4 p 的内部结构图，它由1 0 4 8 个光电二极管构成光敏元 阵列，其中前1 2 个和后1 2 个光敏元是作为暗电流检测被遮蔽的，中间的1 0 2 4 个光电 二极管是曝光光敏单元，光敏元阵列总长为1 4 3 3 6 m m 。用曝光控制门控制c c d 的曝光 时间，光敏区在光的作用下产生光生电荷存于光敏m o s 电容势阱中，当转移脉冲到来 时，传输门控制将光敏阵列势阱中积累的信号电荷并列地转移到c c d 的移位寄存器中， 最后在时钟脉冲的作用下一位一位的移出器件，形成视频脉冲信号。 f p g a 发出的3 3 v 信号驱动到上述4 种电平，可以采用下面介绍的有关电平驱动芯 片来产生相关的电平。 p 1 7 4 f c t l 6 2 4 4 t v 是1 6 b i t 的快速c m o s 线驱动器，可以增加输出电流驱动能力， 应用在p 1 l 、p 2 2 和y r 的单极性时钟输出( 要求驱动电平为0 v 或5 v ) ，它的信号时钟频 率可高达4 0 m h z 。在c c d 的驱动时序中，p 1 1 、p 2 2 和y r 的信号驱动时钟频率都为 1 0 m h z ，均满足p l ? 4 f c t l 6 2 4 4 t v 信号时钟频率范围。 n e c 公司生产的超低噪声双运算放大器4 5 7 0 ，可以将它设置成电压跟随器。通过 设置运放的正输入端的电压( 电阻分压法) ，将输入的1 2 v 分压到需要的8 v 和4 v 。 d g 6 4 2 是t 】儿驱动器，双向模拟开关，时钟上限频率达1 0 m h z ，刚好满足本课题 的要求。它应用在p a b 、p t g 和p p g 的双极性时钟信号输出。通过设置d g 6 4 2 的开关两端 电平为4 5 7 0 的输出电平，f p g a 发出的信号( o v 和3 3 v ) 经过模拟开关转换。 大米品质动态检测算法的研究 3 2 2 图像数字转换器设计 ( 1 ) 相关双采样 c c d 的输出波形是模拟电压信号，如图3 3 所示，从图中可以看出，波形有一定的 周期性，每一个周期波形对应一个像素点，a d 采样的功能就是将每一个模拟电压信号 转换成数字量。 c c d 波形 图3 3c c d 输出波形图 f i g 3 3 c c d o u t p u tw a v e f o r m 图中a 点是c c d 像素点的复位电平，b 点表示像素点的黑电平，c 点表示像素点 的有效电平。b 和c 两点的差就是对应c c d 有效视频信号电压。从图中可以看出哑像 元的有效视频电压接近零。c c d 输出的有效电平减去黑电平得到视频信号电压的方法 叫相关双采样c d s ( c o r r e l a t e dd o u b l es a m p l i n g ) ，c d s 电路完成双采样主要可以消除 k t c 噪声，也能够有效去除信号的共模噪声。 ( 2 ) x r d 9 8 l 5 9 的主要参数设定 课题中选用e x a r 公司生产的图像数字转换器x r d 9 8 l 5 9 。该器件是低功耗的数字 式动静态的c c d 图像转换器，它包含有相关双采样器、可编程增益的p g a ，1 0 b i t 模 数转换器以及有哑像元平均器、噪点像元切割器和数字噪声抑制滤波器的自动偏移校正 电路等功能。 x r d 9 8 l 5 9 的所有参数设定都是通过采用三线串行接口来进行编程控制的，读写控 制信号分别为l o a d 、s d i 和s c l k 。接口采用1 2 b i t 移位寄存器，前4 - b i t 为地址码， 后8 - b i t 为数据位。内部总共有1 0 个8 - b i t 控制寄存器，为x r d 9 8 l 5 9 的工作状态设定 和电路调试提供了很大的方便。下图3 4 为串行接口时序图，当l o a d 信号置低时，激 活寄存器；寄存器中的数据s d i 串行移位顺序为4 - b i t 的地址码在前，8 - b i t 的数据位在 后：当l o a d 信号置高时，移位寄存器中的数据并行置于串行接口寄存器阵列中。 测试引脚的设定 x r d 9 8 l 5 9 可以通过软件设定测试引脚，使输入的数据跳过相关双采样和放大器电 路，直接进入d 转换模块，从而测定x r d 9 8 l