（精密仪器及机械专业论文）并行处理技术在轴承表面疵病检测中的应用(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 在轴承表面的质量检验中，对轴承表面疵病的检验十分重要， 因其直接关系到安装后轴承的寿命。目前这种检测仍然采用目视 检测手段，既费时费力，又容易漏检，检测结果可靠性差。 本论文设计一套基于c c d 成像、数字图像处理、p l c 控制 技术实现的在线轴承自动检测系统，内容包括图像的自动采集、 图像预处理、图像特征的提取以及判别，通过图像处理与分割， 自动判别提取原图像中感兴趣目标的信息；通过边缘检测，可以 得到疵病的面值大小。这些图像处理的核心算法采用了 m m ) ( s s e 优化的算法，保证实时处理图像；采用了并行方式连 接3 个c c d 像机和3 块图像采集卡，这样图像数据流通过p c i 总线实时传输给p c ，保证实时采集。这些并行处理方法的采用， 可以较好的解决实时性与准确性要求的矛盾，从而减轻工人的劳 动强度和提高生产效率。 关键词t 疵病检测在线检测图像处理并行处理实时处理 p l c a b s t r a c t i ti sv e r yi m p o 衄tt ob e a r i n gq u a l 时d e t e c t i o nt h a tt 1 1 es 叫e n a w si n s p e c t i o n nd i r c c t l yr e l a t et ot h el e n g t l lo fb e a r i n gl i f ew i l i c h i sm o u t e d a tt h ep r c s e n tt i m e ，廿l ei i l e t h o dw h i c hw e1 1 s e di sc h e c k i i ls i g h t nn o to r d yw a s t eal o to f t i m e ，b u ta l s om a k et l l eu i l i s p e c t e d b e 锄g se 器i l yn e 蕾e c t i nt t l i sp a p c r ，d e s i 盟as y s t e mt o 咖a t i c a l l yo n l i n eb e a f i n g i n s p c c t i o nb a s e do nc c dc 锄e r a ，d i g i 乜li m a g ep r o c e s s i n g ，a n d c o r l 舡d lt e c l l i l o l o g ) ro fp l c t h es y s t e mi n c l u d e si r n a g ec o l l e c t i o n ， p r o _ p r o c e s s ，i m a g e c h a r a c t e r e x t r a c t i o 地 i t c a n a 咖m 砒i c a l l y d i 虢r e n t ia _ t c 锄dp i c k - u pa v a i l 如l ei 椭a t i o no ft h e 耐g i n a li m a g e b yi m a g pp m c e s s 血g 趾ds e g m e n t a t i o n ；m a ya u t o m a t i c a l l yd e t e c t 也e a r e as i z eo fn a w sb ye d g ed e t e c 曲n 1 1 1 e s en u c l e a ra l g o r i t h i n so f i r n a g ep r o c e s s i n ga d o p t e d m a tm m x s s eo p t i m i z e d ，e n s u r e r e a l 一t i n l ep r o c e s s 恤s ei m a g e s w 色a l s ou s ep a r a l k lc o n n e c t i o n 锄o n gt l l r c ec c dc 砌e r 硒a n dt h r e ep i e c e so fi m a g ec o l l e c t i o nc l i p ， t l l e nt h ed a t as t r e 踟打a n s m i tp cb ym ep c ib u s ，e 1 1 s u 陀r e a l 一t i i n e c o l l e c t i o n 1 1 1 e s ea l g o r i n u n so fp a r a l l e lp r o c e s s i n gw e r ea d o p t e d t m sc a nw c l lr e s o l v e st h ep r o b l e mb e t w e e nr e a l - t i l n ep m c e s sa n d 廿l e a c c u m c yo fi i l s p e c t i o n ，s o 也i sc 趾r e d u c e s 山el o a do fw o r k e r 锄d r a i s 抽gp r o d u c t i v i t y k e yw o r d ： n g wd e t e c t i o nt h eo n - l i n ei n s p e c t i o n i m a g e p r o c e s s i n g p a r 矗l l e lp r o c 鼯s i n g r e a l - t i m e p r o c e s s i n g p l c 2 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文并行处理技术在轴承表面疵 病检测中的应用是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者签名：毖 一年么月监日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：鏖4 扫建剑年名月世日 指导导师签名：主! l 垒盂起。山毋月胡 第一章绪论 1 1 轴承表面探伤中的国内外研究现状 随着世界上精密制造技术的飞速发展和产品精度的日益提 高，产品检测和试验技术也获得了较大的发展，并呈现出多态性 和超精密的特性。从纳米制造到纳米测量，从智能仪器、虚拟仪 器到网络仪器，国内轴承行业测试与试验技术在多方面逐步与世 界接轨，并不断开发出一系列适合国情和国家标准的测试仪器与 试验设备。另一方面，中国正在逐步成为世界上的产品制造中心， 国外的先进制造技术和测试技术日益冲击着国内的轴承行业。由 于在应用技术领域和国外存在的差距，以及行业内较多的企业对 产品质量和检测方面认识不够，造成目前国内的轴承检测仪器和 试验设备仍然与国外的同类先进企业存在着较大的差距。为弥补 产品检测和试验技术与国外先进技术方面存在的不足，同时也为 了满足轴承行业控制检测和技改成本，改变过去高精度检测仪器 或设备只能从国外进口的局面，就需要我们在各方面都加以改善， 并针对某些领域进行专项突破。从总体考虑，一方面要在先进技 术上进行突破，另一方面要提高已有产品的可靠性和稳定性。两 个方面齐头并进，相辅相成，这样才能在赶上世界潮流的同时， 更能满足国内企业的实际需要。 目前，国内外在轴承检测中大量使用图像检测技术。图像检 测是非接触检测，它主要是利用光学技术对被测物质成像，然后 通过一定的处理，实现对物质外部特征的检测。对于图像检测技 术的研究，日本、美国、加拿大、德国等国开始的较早，研究和 应用的水平较高。精密光测数字图像处理与分析技术或基于图像 的精密测量技术，在当今的数字信息时代得到了越来越迅速的发 展和越来越广泛的应用，并显示了越来越重要的地位。由于光测 具有非接触，大视场和适合各种运动和静态检测等不可替代的优 点，进一步推广应用精密光测图像处理分析技术对国防建设和经 济建设都有积极的作用。轴承表面疵病检测一直都是由操作人员 人眼目视辨别检测，自动化和生产效率较低，人的劳动强度大。 并且长时间工作时，由于疲劳和其它生理方面的原因，会导致人 眼的观测结果不稳定，进而容易造成漏判和误判，从而为安全生 产留下隐患。为适应现代化加工生产需要，提高柔性制造水平， 在现存检测手段的基础上，大量引进和采用数字图像采集及处理 技术，即计算机技术、传感技术、通信技术，实现信息的获取、 传输、处理、控制等功能，使无损探伤检测工作实现自动化、 数字化的实时检测便成为世界各国都急于迫切解决的问题。针对 于此问题，我们利用数字图像处理技术对轴承表面缺陷的成像、 处理及自动判别进行了深入和系统的研究。 由于该项技术研究具有较强的通用性和功能扩展等特点，在 其它产品的无损检测中具有广泛的推广价值，可用于各种无损检 测技术，对于检测过程的安全性，提高检测水平，检测精度和生 产效率，大幅度地降低人的劳动强度，降低生产成本也具有重大 的实用意义。 1 2 机器视觉技术的应用 机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能从客观事物的 图像中提取信息，进行处理并加以理解和计算，最终用于实际检 测、测量和控制。一个典型的工业机器视觉应用系统包括光源、 光学系统、图像捕捉系统、图像数字化模块、数字图像处理模块、 智能判断决策模块和机械执行模块，如图1 1 所示。 图1 1 图像处理示意图 首先采用摄像机获得被测目标的图像信号，然后通过a d 转 换变成数字信号传送给专用的图像处理系统，根据像素分布、亮 度和颜色等信息，进行各种运算来抽取目标的特征，然后再根据 预设的判别准则输出判断结果，去控制驱动执机构进行相应的处 理。 机器视觉是一项综合技术，其中包括数字图像处理技术、机 械工程技术、控制技术、光源照明技术、光学成像技术、传感器 技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术、人机接口技术 等。机器视觉强调实用性，要求能够适应工业现场恶劣的环境， 要有合理的性价比、通用的工业接口、较高的容错能力和安全性， 并具有较强的通用性和可移植性。它更强调实时性，要求高速度 和高精度。 机器视觉技术的诞生和应用，极大地解放了人类劳动力，提 高了生产自动化水平，改善了人类生活现状，具有很好的应用前 景。该项技术目前在我国正处于起步阶段，急需广大科技工作者 的共同努力，来迅速提高我国机器视觉技术的发展与应用水平， 为现代化建设做出更大的贡献。赋予机器视觉是数字图像研究的 重要课题之一，其目的是要通过图像定位、图像理解，向机器运 动控制系统反馈目标或自身的状态与位置信息，使其在复杂、变 化的环境中具有自适应的能力。 目前，机器视觉已成功地应用于工业检测领域，大幅度地提 高了产品的质量和可靠性，保证了生产的速度。例如产品包装、 印刷质量的检测，饮料行业的容器质量检测，饮料填充检测，饮 料瓶封口检测，木材厂木料检测，半导体集成块封装质量检测， 卷钢质量检测，关键机械零件的工业c t 等。在海关，应用x 射 线和机器视觉技术进行不开箱货物通关检验，大大提高了通关速 度，节约了大量的人力和物力。在制药生产线上，机器视觉技术 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。机 器视觉不会有人眼的疲劳，有着比人眼更高的分辨精度和速度， 借助红外线、紫外线、x 射线、超声波等高新探测技术，它在探 测人眼不易看见的物体和高危险场景时，更具有突出的优点。 本文利用c c d 像机采集轴承表面图像，再利用数字图像处 理分析技术完成对轴承表面疵病的自动摄取、分析及判别，并最 终从产品中分离出合格品和次品。系统工作框图如图1 2 所示。 被测轴承c c d 像机图像处理部分结果 图1 2 系统工作框图 1 3 图像并行处理技术 图像处理是信号与信息处理学科的一个重要组成部分，在4 0 余年的发展历史中，随着计算机、集成电路等技术的飞速发展， 图像处理无论在算法上、系统结构上，还是应用上以及普及的程 度上都取得了长足的发展。 现在的图像处理，已经在理论上、应用上取得了突出成果， 并步入大发展的时期，但是随着技术的进步，人们对计算机图像 处理技术提出了更高的要求，比如癌细胞识别技术、模糊图像复 原技术、景象目标识别技术等等，这些技术要求计算机能够处理 更多、更复杂的图像信息，有的对实时性要求特别高。因此，图 像并行处理技术逐渐被人们所重视。 图像并行处理技术具有很强的理论性和实践性，它的发展在 很大程度上依赖于计算机并行处理技术的发展，同时它又是由于 自己的独特性而发展起来的一门独立的技术。图像并行处理技术 的基本概念是并行性概念，而并行处理器结构和并行处理算法则 是实现并行性的基本方法。在图像并行处理的研究中，从算法到 结构的转换是非常重要的。因此，在一个图像并行处理系统中， 如何运用并行处理技术以及采用何种并行处理技术，使设计图像 并行处理系统最为关键的环节。 本论文的软件应用原理如图1 3 所示： 图像增强 边缘检测 图 图像去噪 图 图像分割 图 像 图像编码 斗像 目标表达 像 处 分 识 图像解码目标提取 别 理析 图1 3 软件应用原理图 1 4 本论文研究的主要内容 本论文研究的主要内容如下： 1 系统的总体方案设计： 1 ) 光源设计：轴承的瑕疵通过c c d 像机采集的图像过程中， 由于轴承表面的眩光造成的采集图像质量下降，对后续的图 像处理增加难度，难以保证检测精度，为了避免或减小此影 响，提出了两种解决方案。第一种是无影光源的设计，在实 验室进行初步实验，基本符合要求。第二种是比较广泛的磁 粉探伤技术，初步论证，系统烦琐，造价偏高，难以体现整 体系统的性价比高的特点。 2 ) c c d 像机选取，图像采集卡的选取。 3 ) 并行处理结构的设计：为了提高系统的检测效率，提出 了采用并行处理的系统设计。从软硬两个方面入手，提高效 率，尽量满足系统的实时性要求。采用3 块面阵c c d 以及 3 块图像采集卡并行连接，采集图像；后续的图象处理软件 系统核心算法采用m m ：s s e 优化算法，加快处理速度。 4 ) 控制系统设计：采用p l c 控制，实现上料、运送、分选 等操作。通过对p l c 在检测系统中的应用，使控制系统的 可靠性和工作效率得到了大大的提高；同时通过外设端口实 现与p c 计算机的通讯，实现实对处理。 2 图像的预处理： 1 ) 噪声去除； 2 ) 图像增强：采用直方图均衡化、图像平滑、图像锐化等 方法： 3 ) 图像二值化。 对于三个c c d 像机采集得到图像，构成了被测轴承的完整 信息。为了达到实时采集，同时实时处理的要求，我们采用 并行连接方式。由于预处理的核心算法要多次重复运行，我 们采用m m ) ( s s e 优化算法，加快处理速度。从而才能达到 实时处理要求，为后续的目标图象识别作基础。 3 ，目标的识别： 1 ) 图像分割技术； 2 ) 图象识别技术： 通过对图像分割，边缘检测得到疵病的轮廓，采用门限处理 的方式对目标进行识别。 第二章系统的总体方案设计 2 1 系统的组成原理 轴承表面探伤自动检测系统是由无影光源、c c d 像机、数 据采集卡、工业控制计算机、p l c 控制系统和电源等部分构成。 各部分功能如下：在无影光源的照射下，3 个c c d 像机按照固定 的视场对被测轴承的表面进行拍摄，形成目标图像；相应的3 个 并行连接的图像采集卡把图像数据流通过总线传给工业控制计算 机；计算机进行图像的预处理、分析及判别，最后根据判别结果 计算机给出报警信号和控制信号。p l c 根据计算机的通讯信号做 出运动指令。系统对图像处理和分析的所有算法都在并行处理系 统中实现，为了方便系统更新并降低硬件成本，所有的算法都通 过软件实现。 原理图如下图2 1 所示： a - 被测轴承 1 、2 、3 c c d 像机 图2 1 轴承表面探伤自动检测系统的原理图 2 2 系统的工作过程 被测轴承在传送带上行进，逐个进入检测区域，在无影灯照 6 射下。在检测区域中有三台高灵敏度c c d 像机，采集被测轴承 表面的图像，像机生成的数字图像数据流通过图像采集卡传入工 业控制计算机，送给检测软件进行实时的图像处理及分析，以判 别被检测轴承表面疵病的情况。根据探伤情况，由p c 计算机发 出报警信号并通知p l c ，自动地完成对产品的挑选分离，将不合 格轴承剔除。 ( 1 ) 图像采集部分解决问题： 1 ) 光源问题。理想的光源能给后续的图像处理带来巨大的 便利，为了得到满足需求的光源，设计了无影光源，这样的情况 下轴承表面就不会产生强烈的眩光，因而对后续的图像处理带来 便利。 2 ) p l c 控制的传送机构把被测轴承送到检测区域。这样就 保证了被测轴承通过光学系统成像在面阵c c d 上，充分利用c c d 的像元数目。在面阵c c d 上得到理想的图像，才能保证系统的 分辨率，进而最终保证系统的测量精度。 3 ) 3 台高灵敏c c d 像机与对应的3 块图像采集卡采用并 行连接，这样同时采集到的图像数据流经过采集卡同时通过数据 总线传送给工业控制计算机。保证了实时采集图像。 4 ) 视场的问题：轴承轴面一周3 6 0 度，这样3 个像机采 用均布式，每个像机的视场保证采集到1 2 0 度以上的轴面图像， 这样就不会产生遗漏，每个像机的检测边缘有重合的部分就同时 检测，任何一个检测到的疵病，都判断此轴承为不合格产品。 ( 2 ) 图像并行处理部分： 1 ) c c d 像机和采集卡的并行连接：主要解决两方面的问题： 一方面是系统和像机的同步式的问题；另一方面是则是计算机的 数据传输能力问题。我们系统使用系统同步方式。目前计算机总 线实际数据传输能力可以达到1 5 m b 3 2 b s ，因此，在3 2 位p c i 总线环境里，可同时传送4 路8 b i t 的数字视频灰度图像。我们采 用3 路c c d 像机同时采集。 采用系统同步方式的3 路视频同时采集，系统将产生统一的 扫描同步时序，分别送到各个摄像机以同步各个像机的扫描。图 2 2 给出了系统同步的3 路黑白视频同时采集的硬件框图。 图2 2 采用系统同步方式的3 路黑白视频同时采集的硬件框图 2 ) 采集到的图像，经过图像处理系统的处理及分析以及 判别，最后通知p l c 自动地完成对产品的挑选分离。该处理过 程采用的并行处理，示意图如图2 3 所示： 部件 执行 分析 取值 指令在流水线各部件流过的时间关系 图2 。3 流水线工作方式 3 ) 图像处理的核心算法，运算量大，采用m m ) ( s s e 技术 优化算法。得到不错的加速比。d c b u g 版的测试结果如表2 1 所 示。 8 表2 1d e b u g 版的运行1 0 0 次算法的测试结果( 时间单位为s ) 算法c 实现 m m x f s s e 加速比 s o b e l1 2 4 5 61 5 7 4 8 7 77 9 0 9 1 8 6 3 32 3 6 3 7 3 21 1 3 9 6 52 0 7 4 0 8 5 9 十字中值滤波 二值化2 6 0 0 9 3 9o 4 5 1 5 7 65 7 5 9 6 9 3 求反2 4 9 3 1 2 4o 3 8 3 1 8 26 5 0 6 3 7 相减 3 5 6 6 9 1 6o 4 0 7 8 4 1 8 7 4 5 8 4 9 上述数据主要是对核心算法的运算时间测试得到的。通常将 一幅7 0 0 5 7 6 像素的2 5 6 级灰度图像与文件读入内存数组所需时 间约为o 0 0 5 5 o 0 0 6 5 s ，将数组内的数据写成文件格式所需的时间 0 0 2 4 7 o 0 3 1 3 s 。 ( 3 ) 控制系统设计：采用p l c 控制，实现上料、运送、分选等 操作。 1 ) 系统控制方式设为两种，可用开关来选择：手动和自动。 2 ) 软件设计中解决几个问题：掉电保护、动作互锁、故障处 理、急停处理。 通过对p l c 在检测系统中的应用，使控制系统的可靠性和 工作效率得到了大大的提高：同时通过外设端口实现与工业控制 计算机的通讯，实现实时处理。 第三章图像采集系统设计 3 1 无影光源的设计 采用环形光管，光管发出的光透过毛玻璃后照射在被测物件 的表面，这样不会形成强烈的眩光，为后续的图像处理降低了难 度。 3 2c c d 像机选取 3 2 1c c d 的光电转换原理 ( 1 ) 电荷的存储 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd c v i c e ) 电荷耦合器件是一种新型半 导体集成电器件。电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号， 而不同于其它大多数器件以电流或电压为信号。因此，c c d 工 作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 c c d 有两种基本类型：一是电荷包存储在半导体与绝缘体 之间的界面，并沿界面传输。这类器件称为表面沟道c c d ( 简 称s c c d ) ；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内， 并在半导体内沿一定的方向传输，这类器件简称为体沟道活埋沟 道器件( 简称b c c d ) 。我们主要以s c c d 阐述c c d 的基本工 作原理。 构成c c d 的基本单元是m o s ( 今属氧化物半导体) 结 构。 如图3 1 ( a ) 所示： 1 0 u 驴u m 谭帝霄 p 型半导体 ( a ) 耗尽区 ( b ) 反型层 ( e ) ( a ) 栅极电压为零； 栅极电压小于域值电压；( c ) 栅极电压大于域值电压： 图3 1 单格c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响 在栅极g 施加正偏压u g 之前，p 型半导体中空穴( 多数 载流子) 的分布是均匀的。当栅极施加正偏压u g ( 此时u g 小于 p 型半导体的阈值电压u k ) 后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图 3 2 1 ( b ) 所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内延 伸。当u p u t h 时，半导体与绝缘体界面上的电势( 常称为表面 势，用m s 表示) 变的如此之高，以至于将半导体之内的电子( 少 数载流子) 吸引到表面，形成层极薄的( 约1 0 。2 聊) 但电荷 浓度很高的反型层，如图3 1 ( c ) 所示。反型层电荷的存在表明 了m o s 结构存储电荷的功能。然而，当栅极电压由零突变到高 于阈值电压时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建 立反型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延 伸，而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如 果随后可以获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降， 氧化层上的电压增加。当提供足够的少数载流子时，表面势可降 到半导体材料费米能级中f 的两倍。 表面势o s 随反型层电荷浓度q 州v 、栅极电压u g 的变化 表示在图3 2 和图3 3 中。 图3 2 中的曲线表示的是在掺杂为1 0 “c m 。的情况下，对于 氧化层的不同厚度在不存在反型层时，表面势中s 与栅极电压 u g 的关系曲线。 图3 _ 3 为栅极电压不变的情况下，表面势o s 与反型层电荷 密度的关系曲线。 图3 2 表面势o s 与栅极电压u o 的关系曲线 q n 枷r ，m ：) 图3 3 表面势o s 与反型层电荷密度q i n v 的关系曲线 曲线的直线性越好，说明表面势巾s 与反型层电荷浓度 q i n v 有着良好的反比例线性关系。这种线性关系很容易用半导体 物理中的“势阱概念描述。电子所以被加有栅极电压u g 的m o s 结构吸引的氧化层与半导体的交界面处，是因为那里的势能最低。 在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压u o 的关系恰 如o s 与u g 的线性关系。m 0 s 电容存储信号电荷的容量： q = c o u g a ( 3 1 ) ( 2 ) 电荷耦合 能够产生耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构表面态 密度等因素决定。理论计算和实践证实，为了不使电极间隙下方 界面处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的长度应小于3 m 。这 大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸。当然如果氧 化层厚度、表面态密度不同，结果也会不同。但绝大多数c c d ， l m 的间隙是足够小的。以电子为信号电荷的c c d 称为n 型 沟道c c d 。而以空穴为信号电荷的c c d 称为p 型沟道c c d 。 由于电子的迁移率( 单位场强下的运动速度) 远大于空穴的迁移 率，因此n 型c c d 比p 型c c d 的工作频率高得多。 ( 3 ) c c d 的电极结构 c c d 电极的基本结构应包括转移电极结构、转移沟道结构、 信号输入结构和信号检测结构。但它们都必须满足使电荷定向转 移和相临势阱耦合的基本要求。常用的c c d 电极结构如下：三 相c c d 有三相单层铝电极结构、三相电阻海结构、三相交叠硅 栅结构等；二相c c d 有二相硅铝交叠栅结构、阶梯状氧化物结 构、注入势垒二相结构等；四相c c d 有两层金属中间淀积绝缘 物结构、多晶硅- 金属交叠栅结构、两层铝电极用阳极氧化铝绝缘 等。 ( 4 ) 电荷的注入 在c c d 中。电荷注入的方法很多，归纳起来可分为光注入 和电注入两类。 光注入当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半 导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排斥，少数 载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为正 面照射式与背面照射式。c c d 摄像器件的光敏单元为光注入方 式。光注入电荷 q p = ，7 9 n e o a t c ( 3 - 2 ) 式中：卵为材料的量子效率；q 为电子电荷量；n e 0 为入 射光的光子流速率；a 为光敏单元的受光面积；t c 为光注入时 间。 电注入所谓电注入就是c c d 通过输入对信号电压 或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。电注 入的方法很多，但常用的电注入方法主要有两种，即电流注入法 和电压注入法。 ( 5 ) 电荷的检测( 输出方式) 在c c d 中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。c c d 的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电 容耦合，而在输出端则不可避免。因此，选择适当的输出电路可 以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈入输入电路的程度。目前 c c d 的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置 栅放大器输出。 ( 6 ) c c d 的特性参数 转移效率玎和转移损失率占 电荷转移效率是表征c c d 性能好坏的重要参数。一次转移 后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效 率。铡如在酆时，注入到某电极下的电荷为q ( o ) ；在时问t 时，大多数电荷在电场的作用下向下一个电极移动，但是总有一 小部分电荷由于某种原因驻留在该电极下。若被留下来的电荷为 o ( t ) ，则转移效率为 野= 骂铲小器 ， q ( 0 )9 ( 0 ) 如果转移损失率定义为 s ：墼 ( 3 4 ) g ( o ) 则转移效率与转移损失率的关系为 卵= 1 一s( 3 - 5 ) 理想情况下叩应等于l ，但实际上电荷在转移过程中是有 损失的，所以叩总是小于l 的( 常为o 9 9 9 9 以上) 一个电荷 为q ( o ) 的电荷包，经过n 次转移后，剩余的电荷量为 q ( 行) 2q ( o ) 叩” ( 3 6 ) 这样，经过n 次转移前后电荷电量之间的关系为 1 4 她：。一* q ( 0 ) ( 3 - 7 ) 如果玎= o 9 9 ，经过2 4 次转移后罢舞= 7 8 ，而经过1 9 2 次转移后，警掣= 1 4 。由此可见，提高转移效率，7 是电荷耦 掣【d ) 合器件能否实现的关键。 影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。因 此，常采用“胖零”工作模式，即让“零”信号也有一定的电荷。 图3 4 给出了两种不同频率下的电荷转移损失率与“胖零”电荷 之间的关系。图中c 代表转移电极的有效电容。q ( 1 ) 代表“1 ” 信号电荷，q ( 0 ) 代表“0 ”信号电荷。从图中可以看出，增加 “0 ”信号电荷，可以减少每次转移电荷的损失。 t t ) 0 1 o 0 8 口0 6 0 0 4 d 0 2 0 0 】 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 l 图3 4 两种不同频率下的电荷转移损失率与“胖零”电荷之间的关系 工作频率f a ) 决定工作频率下限因素 为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入 电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t 必须小于少数 载流子的平均寿命f ，即 在正常工作条件下，对于三相c c d ? 。l f = 十 3 3 1 故， 可见，工作频率的下限与少数载流予的寿命有关。 b ) 工作频率的上限 当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电 极所需的时间t 大于驱动脉冲使其转移的时间，那么，信号电 荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率大大下降。因此。要 求f s ，即 j 1 ，玄 ( 3 9 ) 这就是电荷的自身转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。由 于电荷转移的快慢与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质浓度和 温度等因素有关，因此，对于相同的设计结构，n 型沟道c c d 比 p 型沟道c c d 的工作频率要高。图3 5 给出了p 沟道c c d 在不同衬底电荷情况下工作频率与转移损失率s 的关系曲线。 8 “)p 淘道 ll o2 04 0 6 08 01 0 0 2 0 03 0 0f ( k h z ) 图3 5 驱动脉冲频率与转移损失率占的关系曲线 图3 6 为三相多晶硅n 沟道s c c d 实测驱动频率f 与损 失率占之间的关系曲线。有曲线可以看出，表面沟道c c d 的 驱动脉冲频率的上限为1 0 m h z 后，c c d 的转移损失率将急剧增 加。 1 6 f ( m h z ) 图3 6 驱动脉冲频率f 与损失率之间的关系曲线 ( 7 ) 电荷耦合摄像器件 电荷耦合摄像器件实际上就是用于摄像c c d ，又简称为 i c c d 它的功能是把二维光学图像信号转变为一维视频信号输出。 i c c d 有线型和面型两大类。二者都需要光学成像系统将景 物图像成像在c c d 的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上 的图像照度信号转变为少数载流子密度信号存储于像敏单元 ( m o s 电容) 中。然后，再转移到c c d 的移位寄存器( 转移电 极下的势阱) 中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视 频信号。但是对于线性器件，它不能直接将二维图像转变为视频 信号输出，而只能真接接收一维光信息。因此，为了得到整个二 维图像的视频信号，就必须采用扫描的方法实现。对于面型摄像 器件，则不需要采取扫描的方法，可直接成像。 3 2 2 像机的型号和性能参数 敏通是1 9 7 9 年成立于台湾的全球著名c c d 摄像机、数字摄 像视频处理设备的专业制造商。生产和管理在1 9 9 7 年和1 9 9 8 分 别通过了i s 0 9 0 0 1 和i s o - 1 4 0 0 1 认证。绝大多数产品通过c e ， u l c s a ，f c c 产品认证。 型号：m 1 8 0 2 c b 功能描述：内同步外同步( v b s ) ，自动增益控制，视频驱动 影像传感器：1 2 英寸 c c d 总像素：7 9 5 ( 水平) x5 9 6 ( 垂直) ( c c i r 制式) 8 1 l ( 水平) x 5 0 8 ( 垂直) ( e i a 制式) 扫描系统：6 2 5 线，5 0 场秒( c c m 制式) 5 2 5 线，6 0 场秒( e i a 制 1 7 式、 同步系统：内同步复合外同步 最低照度：o 0 2l u x l - 2 ，5 6 0 0 0 k ) 水平清晰度：6 0 0 线 增益控制模式：自动增益控制( o n o f f 可切换) 信噪比：优于4 8 d b 自动光圈：视频驱动 伽玛修正：o 4 5 工作环境温度：- 2 0 到+ 5 0 工作环境湿度：8 5 r j 以下 电源：直流1 2 伏士1 伏 3 3 数字图像采集卡选取 d h c g 4 0 0 彩色黑白图像采集卡。d h c g 4 0 0 基于高性能的 p c i 总线，使其能实时传送数字视频信号到显示存储器或系统存 储器。输入的彩色视频信号经数字解码器、模数转换器、比例缩 放、裁剪、色空变换等处理，通过p c i 总线传到v g a 卡实时显 示或传到计算机内存实时存储。数据的传送过程是由图像卡控制 的，无需c p u 参与，瞬间传输速度可达1 3 2 m b s 。 标准p a l 、n t s c 彩色黑白视频输入。 输入方式( 软件选择及切换) ：六路c v b s 输入；三路y ，c 输入；六选一模拟视频输出。 图像分辨率最高：p a l ：7 6 8 + 5 7 6 + 2 4 b i t ：n t s c ： 6 4 0 + 4 8 0 牛2 4 b i t 。 支持y i 4 2 2 、r g b 8 8 8 8 、r g b 8 8 8 、r g b 5 6 5 、r g b 5 5 5 及 y 8 模式。 图像数据数值范围，亮度：0 2 5 5 或1 6 2 3 5 可选；色度：0 2 5 5 或1 6 2 4 0 可选。 亮度、对比度、色调、色饱和度软件可调。 可按单场( 奇场或偶场) 、单帧、连续场、连续帧、间隔几 场或几帧等多种方式。 通过填写屏蔽( m a s k ) 模板，可实时显示和存储仔意形状 的输入图像。 硬件完成输入图像的比例缩放( s c a l e ) 、裁剪( c l i p ) 和 色度空间变换( c o l o rs p a c ec o n v e r t l 0 咐) ，故输入图像的大 小、位置可灵活设置，并可支持1 八j v 4 2 2 ，r g b 3 2 ，r g b 2 4 ，r g b l 5 ， r g b l 6 ，y 8 等多种图像格式的显示和存储。 在计算机上显示采集的图像，实现图像和图形同屏显示的工 作方式。 可稳定地接收录像机的视频信号。 n 路( o 心i ( 7 ) 视频可编程定时轮流输出。 可编程固定视频输出。 视频输入输出0 5 v 4 0 0 线。 电源功耗5 v 5 w ，1 2 v o 。5 w 。 支持w i n 9 ) 【、w i n n t 、w i i l 2 0 0 0 、w i n x p 等操作系统，支持 多种开发环境。 如图3 7 所示，应用数字图像采集卡的工作原理框图： 图3 7 工作原理框图 p c i 总线 视频图像经多路切换器、解码器、a m 变换器，将数字化的 图像数据送到数据缓冲器。经裁剪、比例压缩、及数据格式转换 后，由内部控制图形覆盖与数据传输，数据传输目标位置由软件 确定，可以是显存，也可以是计算机内存。 3 4 图像数据采集部分 把图像输入计算机主要有两种方式，一种是计算机直接与视 频信源接口；另一种是图像信息存入图像信息存储体，然后由计 算机与存储体进行交换数据。 微机与视频信源( 如电视摄像机、c c d 像机等) 直接接口， 存在的主要问题是视频信源以视频速度工作，它比微机快。若数 字化后，如果每行5 1 2 个采样点，则要求微机在6 4 脚内读入 5 1 2 个数，这是不可能做到的。 1 9 一个解决的办法是逐场按列取样。采耳j 这种方法硬件简单， 可以使用低速a d 转换器。输入一幅图像的时间将超过2 0 s ， 也就意味着占用主机的时间将超过2 0 s 。输入时间长带来的缺点 是图像信号的内容以及信号源的扫描参数在整个输入时间内不能 发生任何变化。显然，它不适合图像通讯和图像分析等实时性要 求很高的场合。 因此，为了满足实时性的需要，我们必须采取另外的一种方 法来完成视频信号到微机的传输，也就是我们通常所说的采用图 像数据采集卡。图像数据采集卡集信号放大、滤波、a 仍转换、 d a 转换、i o 接口和帧存储体( 图像数据暂存的存储体) 于一 体。它将输入的视频信号高速转变为数字信号，转化后的数据送 入帧存储体中进行存储。一幅图像采集结束后，计算机直接从帧 存储体中读取数据进行数据处理。图像数据采集卡与计算机的接 口按照存储方式和扫描速度分为3 类：第一类是重复扫描，间隔 采样的方法，其数据采样的速率为几十k h z ；第二类方法是由 d m a 控制器把由a d 转换的数据传送到外部存储器，待所有的 数据存储完后再由计算机取走，其速度可达几百 z ；第三类是 采用帧存储方式，由硬件电路以很快的速度将c c d 传来的视频 信号转换成数字信号后存储在帧存储体中，待一帧数据采集结束 后由计算机取走，其数据存储速度由存储器的速度周期决定，最 高可达几十m h z 。目前，实时的图像数据监测系统，一般采取 具有帧存储方式的数据采集卡。 图像数据采集卡通常都具有两种工作模式：主动模式和从属 模式。由软件控制电子开关，实现两种模式的转换。当工作于主 动模式时，对图像信号数字化、存储、输入均由主机控制。当工 作于从属模式时，存储体的工作受控于信号源的同步信号，因而 不占用主机时间。这样，主机处理前一幅图像时，信源可写入帧 存的后续图像。这在实时处理系统中是至关重要的，不仅可以快 速获取数据，而且可以对所获取的图像数据进行快速的处理，以 满足实时性要求。 数据采集是数字信号处理中的重要环节。针对不同任务，数 据采集要达到的技术指标也不同。对于瞬态信号、雷达信号，图 像处理都要求几m b s 甚至几十或几百m b s 的速度。因而大 多不采用基于i s a 总线的技术，而是采用基于p c i 的总线技 术。基于i s a 总线技术的数据采集卡，其最大的缺点就是传输 速度太低，不能实现实时传输。而基于p c i 总线技术的数据采 集卡，采用高速的同步总线，能够实现设备间的快速访问， 2 0 3 3 m h z 3 2 位的p c i 总线可以实现1 3 2 m b s 的数据传输率，目 前已经有了6 6 m h d 6 4 位的p c i 总线，传输速率更快。而且p c l 总线是独立于处理器的同步总线，不需要c p u 的介入便可进行 数据传输。此外，还支持突发传递、即插即用功能。 数据采集卡一般由一个p c i 总线控制器，。一块采集控制芯 片，高速a d 转换模块，高速d a 转换模块以及高速r a m 构 成。 2 1 第四章控制系统设计 4 1 可编程控制器p l c 概述 可编程控制器p l c 是以自动控制技术、微计算机技术和通 信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置。 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环 境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储 执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令， 并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种机械和生产过程。 可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成 一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 由于p l c 优越的性能，其问世后发展极为迅速。现在，p l c 不仅能进行逻辑控制，在模拟量的闭环控制、数字量的智能控制、 数据采集监控、通信联网及集散控制等方面都得到广泛的应用。 这些功能使p l c 具有输出和接受高速脉冲的功能，配合相应的 传感器及伺服装置，p l c 可以实现数字量的智能控制；p l c 配 合可编程终端设备，可以实现实时显示采集到的现场数据及分析 结果，为分析、系统研究提供依据；利用p l c 的自检信号可实 现系统监控；p l c 具有较强的通信功能，可与计算机或其它智能 装置进行通信和联网，从而能方便地实现集散控制。 ( 1 ) p l c 优越的性能表现在以下几个方面。 灵活性和通用性； 抗干扰能力强、可靠性高： 编程语言易学、简单： p l c 与外部设备的连接简单、使用方便； p l c 的功能强、功能的扩展能力强； p l c 控制系统的设计、调试周期短： p l c 体积小、重量轻、易于实现机电一体化。 ( 2 ) p l c 的基本组成原理 根据结构形式的不同，p l c 可分为整体式和组合式两类。 整体式的p l c 是将中央处理单元( c p u ) 、存储器、输入 单元、输出单元、电源、通信端口、i o 扩展端口等组装在一个 箱体内构成主机。另外还有独立的i ，o 扩展单元与主机配合使 用。整体式p l c 的结构紧凑、体积小。而组合式p l c 是将c p u 单元、输入单元、输出单元、智能单元、通信单元等分别做 成相应的电路板或模块，各模块可以插在底板上，模块之间可以 通过底板上的总线相互联系。c p u 与各扩展模块之间若通过电缆 相连，距离一般不超过l o m 。 中央处理单元( c p u ) c p u 是p l c 的核心部件，指挥p l c 按照预先编好的程序 完成各种任务和功能。并且有以下几点作用： a ) 接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并可通 过显示器显示出程序的内容和存储地址； b ) 检查、校对用户程序： c ) 接收、调用现场信息； d ) 执行用户程序； e ) 故障诊断。 存储器 存储器可分为以下三种。 a ) 系统程序存储器； b ) 用户程序存储器： c ) 工作数据存储器。 输入输出单元 输入输出单元是p l c 与外部设备相互联系的窗口。输入单 元接收现场设备向p l c 提供的信号，这些信号经过输入电路的 滤波、光电隔离、电平转换等处理，变成c p u 能够接受和处理 的信号。输出单元将经过c