（检测技术与自动化装置专业论文）带钢表面缺陷视觉检测系统的硬件平台设计与实现.pdf

摘要 论文题目：带钢表面缺陷视觉检测系统的硬件平台设计与实现 学科：检测技术与自动化装置 研究生：张锋 导师：李琦教授 刘龙讲师 摘要 签名： 丞笠 签名麴 签名：垄坚焦 近些年来，带钢表面缺陷检测技术正在向高速度、高精度以及智能化方向发展。 目前，基于机器视觉的缺陷检测方法已成为国内外在该领域的研究热点。采用机器 视觉的检测方案需要对大量图像数据进行实时处理，因此，实时处理大量数据的能 力也就成为带钢表面缺陷检测系统的重要环节。 目前，随着d s p 处理器运算能力的不断提高，其在图像实时采集处理方面的应 用优势也日趋明显，并被广泛的应用于各种领域。本文在充分分析带钢表面缺陷实 时检测的理论方法基础上，根据一定的性能指标研究开发了一套基于d s p 6 0 0 0 的表 面缺陷硬件检测系统。本论文包含总体方案设计、硬件系统设计以及相应的底层软 件模块开发。在硬件方面，设计并实现了以t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 为核心的图像处理硬件平 台，该硬件平台能有效地对带钢生产线上的海量数据进行实时检测处理。系统同时 考虑了面阵和线阵c c d 的信号采集接口，使系统具有很好的通用性和很大的推广价 值。软件方面的设计包括了系统初始化程序、s d r a m 的测试程序、c p l d 模块的程序、 a d 的工2 c 配置程序以及系统p c i 驱动程序框架的编写，为该系统的实际应用做了基 础性的工作。另外，论文最后还分析了一种可以移植到d s p 上的实时缺陷检测算法。 通过对该硬件检测系统的测试，主要硬件模块均工作正常，说明了该系统设计 方案是可行的。实验结果表明整个检测系统达到了设计方案中的基本要求。 关键词：带钢表面缺陷机器视觉数字信号处理器图像传感器 a b s t r a c t t i t l e ：t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n0 fh a r d w a r ep l a t f o r m s i ns t r l ps u r f a c ed e f e c tv l s u a ls y s t e m m a j o r - m e a s u r e m e n tt e c h n o l i g ya n d a u t o m a t i o ni n s t a l l t i o n s n a m e z h a n gf e n g s u p e r v i s o r - p r o f l iq i l e c t u r e r , l i ul o n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：凼呜 _ _ _ _ j - 】k - - _ _ _ _ - _ - i i _ o 一 s i g n a t u r e ：心幽 o、 s i g n a t u r e ：丝垒必 i nr e c e n ty e a r s ，t e c h n i q u e so fs u r f a c ed e f e c td e t e c tf o rs t e e ls t r i p sa d v a n c et o w a r daf a s t 、p r e c i s e 、 i n t e l l i g e n t i z es t a g e a tp r e s e n t ，t h ei n t e r n a t i o n a lo n l i n ei n s p e c t i o n ss t u d yf o c u so nt e c h n i q u e so f c o m p u t e r - v i s i o nf o rt h es u r f a c ed e f e c to fs t e e ls t r i p s t h et e c h n i q u e so fc o m p u t e r - v i s i o nn e e dt od o f l e e to p e r a t i o nf o rag r e a td e a lo fi m a g ed a t ab e i n gc o l l e c t e d t h ea b i l i t yo fr e a l t i m ep r o c e s s i n gl a r g e a m o u n t so f d a t ah a sb e c o m et h ek e yp o i n to fr e a l i z a t i o no fs u r f a c e d e f e c t sd e t e c t i o ns y s t e m a tp r e s e n t ，b e c a u s et h ed e v e l o p m e n to fd s p t e c h n o l o g y , t h ea d v a n t a g eo fd s p i nr e a l - t i m e i m a g ea c q u i r ea n dp r o c e s s ，i sb e i n gp r o m i n e n t t h ed s p b a s e di m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mc a nb e a p p l i c a b l ei nm a n yk i n d so fp r a c t i c a lf i e l d s t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ea n a l y s i so fd e m a n df o r t h es u r f a c ed e f e c td e t e c to fs t e e ls t r i p si nt h eh i g h - s p e e ds t e e ls t r i pp r o d u c t i o nl i n e a nr e a l t i m e d e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nd s p 6 0 0 0f o rt h es u r f a c ed e f e c t si ns t e e ls t r i p si sd e s c r i b e db yt h ea i m so f t h ep r o j e c ta n dt h es y s t e mp a r a m e t e r s t h i sp a p e rc o n t a i n st h eo v e r a l ld e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g na n dt h e c o r r e s p o n d i n gd e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r em o d u l e s i nh a r d w a r e ，t h ed e s i g no fs y s t e mp l a t f o r mi s c a r r i e do u t , c o n s i s to fd e s i g no ft m s 3 2 0 c 6 2 0 5c o r e - p r o c e s sm o d u l e ，i tc a ne f f e c t i v e l yp r o c e s s m a s s i v er e a l - t i m ed a t ai nt h eh i g h - s p e e ds t e e ls t r j pp r o d u c t i o nl i n e i na d d i t i o n ，t h ed e s i g no fv i d e o c a p t u r ec i r c u i tc a nf a c el i n e a ro ra r e ac c ds i g n a la c q u i s i t i o n s y s t e mh a sg o o ds t a b l e ，r e l i a b l ea n dc a n b eu s e dw i d e l ya n dd e e p l yi nt h ef u r t h e ra p p l i c a t i o n s i ns o f t w a r e ，t h ec o d ei sw r i t t e n ，w h a ti n c l u d e i n i t a l i z a t i o n 、t e s to fs d r a ma n dc p l dm o d u l e 、i cc o n f i g u r ef o ra da n dd i r v e ro fp c i ，d ot h eb a s i c w o r kf o rt h es y s t e mi nf u r t h e rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n a tl a s t ，t h i sp a p e ra n a l y s i sa nd e f e c tr e a l t i m e d e t e c t i o na l g o r i t h mt h a tc a nb er u no nd s r t h em a i nm o d u l e sw o r kn o r m a l l ya f t e rs e v e r a lt e s t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e t e c t i o ns y s t e mr e a c h e dt h eb a s i cr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s t e e ls t r i p s u r f a c ed e f e c tm a c h i n ev i s i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r si m a g es e n s o r i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。， 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：，敛簋：12 瑚年3 月2 6e t 学位论文使用授权声明 本人：壅锋在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，一 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。，本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，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，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 二。本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名孤整2 导师签名： j 如游3 月墨日 霉 绪论 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 随着科学技术的进步，带钢的后续加工工业正向高速度、高精度和自动化方向发展。 为了发挥自动化作业线生产稳定、材料利用率高、产品一致性好、成本低的优势，必然要 求原材料的化学成分均匀、机械性能一致、尺寸公差小、表面质量好。因此在带钢生产规 模和产量日益扩大的同时，其表面质量也必然会受到越来越多的关注。而影响带钢表面量 的主要因素是带钢在制造过程中由于原材料、轧制设备和加工工艺等多方面的原因，导致 其表面出现的划痕、擦伤、结疤、粘结、辊印等不同类型的缺陷。这些缺陷不仅影响产品 的外观，更严重的是降低了产品的抗腐蚀性、耐磨性和疲劳强度等性能。表面缺陷已是造 成深加工产品废次品的主要原因，因此，表面质量检测己经成为带钢生产企业提高产品质 量和产量的瓶颈。实现对带钢表面缺陷进行非人工的连续准确的检测、缺陷分类和记录， 并加以实时控制，对于提高生产效率和产品质量，从而提高企业竞争力将起到非常积极的 作用n 1 。具体来说，实现带钢表面缺陷准确自动的检测具有如下意义： 提高生产效率，降低工人劳动强度。连续生产线上的机组速度很高，人眼难于发现高 速运行的带钢表面的缺陷。有研究表明，物体运动速度在1m s 时，人眼就无法分辨 较细微的形态，物体运动速度达到3 r n s 时，人眼就无法看清物体上的形态。生产线上 的带钢运动速度一般在5 m s 左右，人眼根本就不可能准确的检测出带钢表面微小的缺 陷，这将导致生产效率和质量控制之间的尖锐矛盾。因此，如果没有准确高效的自动 检测系统，就无法在不影响生产效率的条件下实现表面质量检测。 提高生产质量。从检测信息中提取和挖掘出对生产和销售有用的信息，对评估产品质 量有着极强的说服力。利用缺陷信息还可以分析缺陷产生原因，及时有效地排除异常 情况，改进$ l s f j 和生产过程，从而真正制造出合格的产品 减少贸易争执，维护企业信誉。国内钢铁企业的带钢产品因表面质量问题而被索赔， 进而导致商务纠纷的事件近年来时有发生，给企业造成了很大的经济损失，也使企业 形象受到严重伤害。因此，实现带钢表面缺陷自动检测，提高产品表面质量，为用户 提供优质的带钢产品，不仅仅是减少赔偿、减少浪费的问题，而是维护企业形象和信 誉的重大问题。 1 2 带钢表面缺陷检测的发展状况 1 2 1 国外发展状况 英国、美国等西方发达国家在带钢表面缺陷检测的研究丌始于上世纪中期，其冷轧 1 西安理工大学硕士学位论文 带钢表面缺陷检测技术的发展大体可分为三个发展阶段n 1 。表l 列举了各个时期主要的研 究状况。 表1 - 1 国外在带钢表面缺陷检测的发展状况 上世纪7 0 年代英钢联、阿格玛、l t v 、美 频闪光检测方法进行检测 钢联合蒂森 上世纪7 0 年代中期日木新日铁、干叶等激光扫描表面缺陷检测系统 1 9 8 3 年h o n e v w e l l 公司开发出采用线阵c c d 器件的连铸板坯表 面在线检测装置 1 9 8 6 年，w e s t i n g h o u s e 公司和e a s t m a n带钢表面缺陷在线检测系统0 7 m m k o d a k 公司2 3 m m 1 9 8 8 年美国s i e k 光电子公司研制成功平行激光扫描检测装置 1 9 8 9 年法国络林连轧公司 e d i s o l 1 9 9 0 挪威e l k e m 公司t h e r m o m a t i c 连轧钢坯自动检测系统 9 0 年代中期意大利s i p a r 公司 在2 0 9 6 的像素情况下，对于1 3 0 0 m 的带 钢，分辨率可以达到0 5 m m 0 5 m m 1 9 9 6 年美国c o g n e x 公司i s 一2 0 0 0 自动监测系统和i l e a r n 自学习 分类器软件系统。 1 9 9 7 年德国p a r s y t e c 公司i t t s 一2 冷轧带钢表面检测系统该系统首 次将基于人工神经网络( a n n ) 的分类器 设计技术应用于带钢检测领域，提高了 系统的实用性和可靠性，增强了缺陷目 标的检出能力和缺陷图像的显示质量， 并完善系统对环境的有效控制能力 第一阶段，非自动化检测阶段，主要采用人工目测法和频闪光检测法两种。上世纪 5 0 年代以前多是采用人工目视的方法进行缺陷检测的工作，而在7 0 年代中期，英钢联、 阿格玛、l t v 、美钢联合蒂森等钢联合企业普遍采用频闪光检测法。虽然这种方法成本低， 但是检测的可信度低，自动化程度也低。 第二阶段，新兴技术阶段，这一阶段采用各种高新技术，逐渐使检测更加的自动化。 利用涡流检测、红外检测“1 、激光扫描在线检测表面缺陷等技术的系统也都有成功应用在 生产现场。在此阶段用的最广、发展最快的是激光扫描技术，它是利用激光器对二维表面 逐点扫描以获得高分辨率与高检测精度，然而该检测系统的组成部分需要高精度加工并且 其光学系统比较复杂而难实现，且由于是依据机械扫描的检测原理，限制了该方法的应用。 2 绪论 第三阶段，信息化发展阶段。计算机的飞速发展，机器视觉技术、人工智能、神经网 络理论的深化及实用化、信息化概念也已经深入人心，人们对检测要求日益提高，信息处 理从数学、模式识别，发展到神经网络理论都运用在带钢表面缺陷的检测中，发展前景十 分广阔( 德国p a r s y t e c 公司的h t s 一2 可以对5 m s 的带钢生产线作有效的检测，检测分辨 率可以达到0 5 m m * o 5 r a m ) 。 1 2 2 国内发展状况 和国外相比，我国在带钢表面缺陷检测技术的研究起步较晚，表1 - 2 所示，从上世纪 8 0 年代中期从华中理工大学电子工程系的罗志勇教授率先开展激光扫描在线检测硅钢板 表面缺陷的研究开始的，目前国内的研究主要集中在基于机器视觉的检测方法上面。检测 原理“1 是：由于冷轧板表面缺陷将导致表面缺陷度和反射平面法线方向发生变化，进而引 起反射光及散射光强度的变化，且表面缺陷导致光强的变化将大于表面粗糙度所导致的光 强的变化，因此可以通过检测反射光和散射光的强度的变化来得出钢板的表面缺陷信息。 根据表面缺陷的特点将缺陷分为明域缺陷( 捕捉和识别反射光缺陷) 和暗域缺陷( 捕 捉和识别散射光缺陷) ，其中划痕、裂纹等属于暗域光缺陷“1 。通过前端的相机采集来自 明域和暗域方向的图像，经过后续的处理电路的处理，目前已有基于机器视觉的系统的设 计1 ，但是由于带钢生产线速度的提高，对于表面缺陷检测分辨率的进一步提高，到目前 为止仍没有一套完全满足高速带钢生产线实时检测要求的系统出现。近几年，随着d s p 技术的迅速发展，t i 公司的d s p 6 0 0 0 系列在图像处理方面的优越表现，d s p 应用于带钢表 面缺陷实时视觉检测硬件平台的搭建上有很大的优势 ，。 表卜2 国内在带钢表面缺陷检测的发展状况 1 9 8 6 年，华中理工大学开展激光扫描住线检测硅钢板表面缺陷的研究 1 9 9 6 年，华中理工大学带钢表面缺陷在线检测系统 9 0 年代哈尔滨工业人学进行带钢表面缺陷的静态检测和识别方法的研究 9 0 年代末北京科技大学 基于图像处理的表面质量在线检测系统 2 0 0 2 年华中科技大学基于机器视觉的带钢表面缺陷检测系统 2 0 0 3 年航天工业总公司 钢板表面缺陷在线检测系统 天津大学西安建筑科技大学进行实验性的研究 四川大学等 3 西安理工大学硕士学位论文 1 3d s p 技术 1 3 1d s p 芯片的特点 d s p 处理器的结构和功能特点基本上是根据数字信号处理算法的特点来设计和优化 的，下面介绍d s p 芯片在结构和功能上的一些显著特点“1 ： 总线结构 现在的d s p 处理器一般都采用改进的哈佛结构。哈佛结构采用分离的程序和数据存储 空间，处理器可以通过独立的程序总线和数据总线来同时访问这两个存储空间，以加 快存储器访问的速度。有的d s p 芯片采用两条以上的内部数据总线，这被称为改进的 哈佛结构。对于一些多操作数的指令( 比如乘法指令) ，这样的总线结构可以保证一个 时钟周期内进行多次操作数的读写。从而提高了整个处理器的读取速度，保证了这样 的多操作数指令在一个时钟周期内完成。 算术单元 d s p 芯片具有一些专门针对数字信号处理算法设计的硬件模块： 硬件乘加器 在d s p 处理器中，设有硬件乘加器来完成乘法操作，硬件乘法器是d s p 区别通用处 理器的一个重要标志。 多功能单元 为了进一步提高速度，d s p 内部设置有多个功能单元。多个功能单元操作使d s p 在 相同的时间内完成更多的错作，进而提高程序的执行速度。 地址生成单元 d s p 处理的都是一些数据密集性的应用，因此d s p s 通常都有支持地址计算的算术单元 地址产生器。d s p 的地址产生器一般都支持间接寻址，而且有的d s p 还支持位反 转寻址，t i 公司的c 6 0 0 0 系列d s p 还支持循环寻址。 流水线处理 流水线结构是提高d s p 处理器程序执行效率的一个重要技术。采用该项技术，可以使 d s p 处理器在同一时刻执行两条或多条指令，充分利用整个d s p 处理器的资源。 1 3 ，2ti 公司c 6 0 0 0 系列d s p 介绍 1 9 9 7 年t i 公司推出t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 高端d s p 芯片，它主要包括定点t m s 3 2 0 c 6 2 x xd s p 和浮点t m s 3 2 0 c 6 7 x xd s p 两大主要系列，两者相互兼容，区别主要在于c 6 7 x x 系列d s p 增加了浮点运算单元和相应的浮点运算指令。2 0 0 0 年t i 发布了c 6 4 系列，总体性能有了 更优越的表现。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 的最主要特点是在体系结构上采用超长指令字( v l i w ) 结构，d s p 的内核有8 个并行处理单元，分为相同的两组。图1 - 1 是c 6 0 0 0 的结构框图d 1 ： 4 绪论 a d 图卜1c 6 0 0 0 的结构框图 f i g1 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fc 6 0 0 0 c 6 0 0 0 的主要特点包括： c p u 的主频为1 0 0 m h z 一6 0 0 m h z ，工作在2 0 0 m h z 时钟的t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 峰值性能可以达 到2 4 0 0 m o p s ( 百万条操作秒) ，当总线时钟选择l o o i h z 是，其总线数据吞吐率为 4 0 0 m b s ( 3 2 位数据总线) 及3 2 0 0 m b p s ( 百万位秒) 。 1 6 3 2 6 4 b i t 高性能外部存储器接口( e m i f ) 提供了与s d r a m 、s b r a m 和s r a m 等同步 异步存储器的直接接口。 片内有多个d m a 控制器、3 2 b i t 3 3 m h z p c i 主从模式接口、内置灵活的p l l 锁相时钟 电路、支持i e e e 一11 4 9 1 ( j t a g ) 边界扫描接口。 1 3 3t l 公司c 6 0 0 0 系列d s p 在数字图像处理方面的应用 作为一种专用微处理器，d s p 芯片位于高性能系统的核心，协调系统对现实世界的模 拟信号进行实时l 生数字技术处理。d s p 的应用几乎遍及整个电子领域，包括信号处理、通 信、语音处理、军事、自动控制、医疗、家用电器等诸多方面。图像处理的研究内容在 工业检测领域有着广泛的应用前景。发展至今，其理论和方法都己基本成熟。数字图像处 理技术应用到实际中去的主要困难在于数字图像的数据量非常巨大，实时处理要求的计算 速度极高。例如一帧采样的数字图像的数据量为7 2 0 5 7 6 = 4 0 0 k ，假设每个象素进行1 0 次 操作，每秒处理2 5 帧，需要的速度为i o o m o p s ，。在实际中一般认为，数字图像实时处理 需要5 0 0 m o p s 的处理速度。d s p 6 0 0 0 最高可以达到2 4 0 0 m o p s ，完全满足实时处理的速度要 求1 们。 1 4 论文的主要工作 本论文主要的工作包括下面几个部分： 5 西安理工大学硕士学位论文 6 带钢表面缺陷检测硬件系统方案的确定 系统的硬件平台的设计与调试 系统底层软件模块的设计以及一种带钢表面缺陷检测算法的研究 论文将分为七个章节来详细论述上面六部分的工作。这七章分别为： 第一章：绪论 介绍该课题的研究背景和带钢表面缺陷检测发展以及d s p 技术的介绍。 第二章：基于d s p 的缺陷检测硬件系统的设计方案 通过分析系统要求达到的性能，确定了系统的设计目标，提出两套基于d s p 的设计方案，通过比较，确定了以t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 为核心的设计方案。 第三章d s p 缺陷检测系统的硬件设计 主要论述了各个硬件模块的设计思路，其中包括核心处理模块的设计、面阵 c c d 采集模块的设计、线阵c c d 采集电路的设计、以及系统的p c b 板卡制作。 第四章：d s p 的缺陷检测硬件系统的底层软件设计 主要介绍了系统的底层软件模块的设计与实现，着重说明了d s p 初始化程 序、d m a 、中断程序的设计以及w i n 2 0 0 0 环境下p c i 模块驱动程序的编写 以及关于带钢表面缺陷检测算法的研究。 第五章：该章是全文的一个总结，并提出了对该缺陷检测系统的改进建议。 基于d s p 的缺陷检测系统的设计方案 2 基于d s p 的缺陷检测系统的设计方案 整个系统主要由光源、图像采集模块、实时数据处理模块、以及与上位机的显示及后 续处理模块k i l l 图2 - 1 所示，为带钢表面缺陷检测系统的结构示意图。本文主要在数据 实时处理模块上展开研究工作。在本章中通过缺陷检测的性能指标，确定了系统的设计目 标，同时，提出并确立了以d s p 为核心的缺陷检测系统的设计方案。 图2 一l 基于d s p 的带钢表面缺陷检测系统结构示意图 f i g2 - 1t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fd e t e c t i o ns y s t e mf o rt h e s u r f a c ed e f e c t si ns t e e ls t r i p sb a s e do nd s p 2 1 系统的设计目标 首先考虑图像的获取。对于传统面阵c c d 成像检测系统，视场通常不能满足宽板材的 要求，这就需要多台面阵c c d 相互交叠使用来确保数据的完整性，这样必然会带来大量的 冗余数据，使得后续处理增加了难度。同时，多台面阵c c d 的使用对于光源的均匀性也有 很高的要求黝，以上两方面使得面阵c c d 很难适合大视场、匀速运动的图像采集的应用。 目前，随着线阵c c d 的发展，线阵c c d 在对匀速运动的图像采集方面得到了更多的关注。 带钢生产线速度的提高、带钢宽度的增大、缺陷分辨率的提高，使检测系统的实时性 的处理要求提高。由于图像处理的数据量大，数据处理相关性高，因此系统必须具有强大 的处理能力。目前可以实现实时性检测的通用平台有：基于p c 机加u s b 摄像头、采用专 用的数据采集板卡以及基于d s p 的检测系统。由于基于p c 机和专用的数据采集卡在成本、 数据处理上面都难以满足系统的设计需求 1 3 1 0 本课题这种研究基于d s p 的设计方案，重 点开发一套基于d s p 视频采集系统，作为带钢缺陷检测的硬件平台。该平台可以满足带 钢生产线的实时性要求，同时考虑基于线阵c c d 的前端图像采集设计，以解决目前常用的 西安理工大学硕士学位论文 面阵c c d 成像系统的缺点。 2 1 1 系统的功能要求 d s p 带钢表面缺陷检测硬件系统应该具有的功能有： d s p 有足够的处理能力，以保证带钢表面缺陷检测的实时性要求。 系统和p c 机有足够的数据传输能力。 具有和线阵c c d 采集模块的数据接口。 保证系统的扩展性和通用型，系统具有接收面阵相机信号的能力。 2 1 2 系统需要达到的性能指标 d s p 带钢表面缺陷检测系统所要达到的性能指标： 可以满足1 4 0 0 m m 宽，运行速度达到2 m s 的钢板生产线，检测分辨率为0 3 * 0 3 m m 的数据实时处理的要求。 d s p 与p c 的数据传输有足够的带宽。 2 2 系统的设计方案 t i 公司的6 2 x x 系列中的t m s 3 2 0 c 6 2 0 3 内存大、主频高，而t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 则是集成p c i 接口。这两款芯片都能满足系统的功能要求，下面分析以t m s 3 2 0 c 6 2 0 3 和t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 为核心的两套设计，最终确定系统的方案。 2 2 1 系统的设计方案1 8 图2 2 基于d s p 6 2 0 3 的设计方案 f i g2 - 2d e s i g no ft h es y s t e mb a s e do nd s p 6 2 0 3 基于0 s p 的缺陷捡测系统的设计方案 通过线阵c c d 芯片采集带铜表面缺陷图像，经过a d 转换后，通过f i f o 芯片送到 9 s p 6 2 0 3 中进行处理处理的结果通过p c i 总线传送到p c 主机。d s p 6 2 0 3 是通过其x b u s 总线外接p c 桥接芯片来实现p c i 总线接口的。整个硬件设系统的结构框图如图2 - 2 。 t m s 3 2 0 c 6 2 0 3 ”“是t m s 3 2 0 c 6 2 x x 系列中性能最高的数字信号处理器，工作频率 2 5 0 删z 一3 0 0m h z ，提供高达2 4 0 0 m i p s 的数据运算和处理能力，可以满足本系统的实时处 理要求。此外，t m $ 3 2 0 c 6 2 0 3 的片内存储器达到7m b i t s ，可阻完全将采集到的一帧图像 数据全部读入到d s p 片内进行操作，这样可以使d s p 对数据的操作变的更快。c c d 输出的 模拟信号经过a d 转换，转换成数字信号，然后送到f i f o 中，f i f o 的使用是为了缓解d s p 频繁读写数据对叫i f 的占用，d s p 将f i f o 中的数据全部读入到内部r a m 中进行处理。 因为t m s 3 2 0 c 6 2 0 3 本身没有集成p c i 接口，为了和p c 机通讯，通过t m s 3 2 0 c 6 2 0 3 的x b u s 总线外扩p c i 桥接芯片完成“”。这一部分的设计使得系统的实现难度增加，图2 3 所示 为基于t m $ 3 2 0 c 6 2 0 3 的系统p c b 板卡布局图，其中p c i 接口的设计部分占有很大的工作量。 图2 - 3 基于d s p 6 2 0 3 的硬件检测系统的p c b 板卡布局图 h e 3 1 k b o a r dl a y o u to f h 4 咖眦d e t e c t s y s t e m b a s e d 佃d s p 6 2 0 3 2 2 2 系统的设计方案2 t i 公司t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列高速d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 ，该芯片集成d s p 和p c i 接口 于一体既具有d s p 强大的高速数据处理特性，又具有p c i 2 2 接口，使p c i 与d s p 之间 数据传输和通讯，不需要任何其它的p c i 控制器件的参与。使主机和d s p 之间资源共享更 为充分，数据传输和通讯更方便快速。图2 4 所示，是基于d s p 6 2 0 5 的系统设计方案。c p l d 负责面阵c c d 和线阵c c d 的时序控制，c p l d 同时可以完成数据的8 位到3 2 位的移位转换。 西安理工大学硕士学位论文 图2 4 基于d s p 6 2 0 5 的缺陷检测硬件系统设计方案 f i g2 - 4t h ed e s i g no f d e f e c td e t e c th a r d w a r es y s t e mb a s e d0 1 1d s p 6 2 0 5 2 3 系统的方案的确定 方案1 和方案2 都有外扩s d r a m 和f l a s h ，都有面阵c c d 和线阵c c d 的图像采集模块。 两个的主要的差别在于核心处理芯片上，t m s 3 2 0 c 6 2 0 3 的内存比t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 的大，可以 将从f i f o 中所有数据都读入到内存中来进行处理，处理的速度较快。缺点是没有集成p c i 接口，如果需要和p c 机通过p c i 总线进行通讯，则需要通过p c i 的桥接芯片扩接。相比， t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 集成了p c i 接口，能很方便的和p c 机进行通讯，此外，t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 在主频 为2 0 0 m h z 时，峰值性能可以达到2 4 0 0 m o p s ( 百万条操作秒) ，当总线时钟选择1 0 0 m h z 是，其总线数据吞吐率为4 0 0 m b s ( 3 2 位数据总线) 及3 2 0 0 m b p s ( 百万位秒) ，完全可 以满足系统实时采集处理的要求。图2 - 5 为t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 的结构框图t l b i , 该芯片的特点 总结如下： 5 n s 指令周期 单周期执行8 条3 2 位指令的并行运算能力 8 个独立的功能单元，其中包括6 个算术逻辑单元和2 个1 6 b i t 乘法器。 采用加载存储体系结构，数据在多个处理单元之间的传输依靠3 2 个3 2 b i t 通用寄存 器。片内集成i m - b i t 的s r a m ，其中包括5 1 2 k b i t 的片内程序存储器，还包括5 1 2 k b i t 的片内数据存储器。 具有四个主d m a 通道和一个d m a 辅助通道。 3 2 位的e m i f 外部扩展内存接口，分四块c e o ，c e l ，c e 2 ，c e 3 。可以与可以实现s b r a m 、 s d r a m 、a s r a m 、f l a s h 以及f i f o 等存储器的无缝接口。 内置锁相环时钟电路。 集成p c i 总线接口，支持主从模式读写，支持p c i 接口2 2 标准。 1 0 i 函日 基于d s p 的缺陷检测系统的设计方案 2 个多通道缓冲串口，支持多种串行通讯方式。 图2 - 5t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 的结构框图 f i g2 - 5s t r u c t u r ed i a g r a mo ft m s 3 2 0 c 6 2 0 5 本课题将采用方案2 来完成缺陷检测系统的硬件平台设计，将图2 - 4 的设计方案根据 功能进行划分，可以分为以下几个部分： 线阵c c d 采集模块 主处理器模块 电源模块 存储器模块 j t a g 、复位、芯片设置等模块 c p l d 模块 面阵c c d 采集模块 p c i 通讯模块 系统首先上电复位，完成系统初始化的操作以及图像处理算法的导入，并启动a d 连续工作。面阵c c d 线阵c c d 采集模块完成模拟图像的采集然后通过a d 转换，转换后 的数据通过c p l d 中设计的移位寄存器完成8 位- 3 2 位的移位转换，然后d s p 以d m a 方式 将数据直接送入s d r a m 中以便处理，外扩的f l a s h 用于存入图像处理的算法，处理的结果 通过p c i 接口传送给上位机。 西安理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要分析了系统的设计目标，提出了系统所要实现的功能要求以及要达到的性能 指标，设计了两套解决方案，通过两个方案的对比，最终确定了以t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 为核心的 缺陷检测硬件系统。该系统主要的完成面阵c c d 和线阵c c d 的图像实时采集以及处理，通 过p c i 接口完成d s p 与p c 的数据传输。 1 2 基于d s p 的缺陷检测硬件系统的设计 3 基于d s p 的缺陷检测硬件系统的设计 本章主要讲述以d s p 6 2 0 5 为核心处理芯片的检测系统中每个模块的硬件电路的设计 情况，详细描述了系统硬件部分每一个功能单元电路中器件的选择以及器件的功能和特 性，旨在说明如何在保证系统的实时性方面关于系统设计的思路。之后，介绍了p c b 板卡 的制作以及硬件调试方面的工作。 3 1 线阵c c d 图像采集模块 图3 - 1 线阵c c d 图像采集模块 f i g3 - 1i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l eb yl i n e a rc c d 线阵c c d 图像采集模块主要由c c d 芯片、a d 转换、f i f o 、时序逻辑控制部分组成。 因为要配合镜头来使用，所以c c d 采集模块单独设计成一块子卡。 3 1 1c c d 芯片的选型 c c d ( c h a n g ec o u p l e dd e v i c e s ) 即电荷藕合器件，是一种完成光电转换的图像传感 器n ，主要分为线阵c c d 面阵c c d 两类。相比面阵c c d ，线阵c c d 成像范围非常广，且由 于其感光面是单线排列得，因此照明面积也仅集中在有限的范围内。由其制造工艺特点线 阵c c d 可以达到很高的像素，在宽幅面的检测中，具有非常巨大的应用前景。因此，在带 钢表面缺陷的检测上，考虑使用线阵c c d 完成图像的前端采集，对于线阵c c d 的选择主要 依据以下几点： 彩色还是黑白 确定水平向的精度要求，获得所需要的分辨率 根据物体运动速度，推算所需要的行扫描速度 根据现场条件决定相机要工作在何种方式下 对相机的控制是否有要求 因为主要通过带铡表面的灰度信息进行缺陷的检测，在此选择黑白的c c d 。光敏原数n 由 1 3 西安理工大学硕士学位论文 钢板宽度w 和横向分辨率d z 确定m w 厅。丁 ( 3 1 ) 6 。 l j 上j c c d 的行扫描周期t 由钢板的运行速度v 和纵向分辨率d ，确定。 r ；生 ( 3 2 ) y 将w = 1 4 0 0 m m 6 x= 6 y = 0 3 m m ，v = 2 m s 代入得n 4 6 6 7 ，t = 0 1 5 m s 计算数据量 大约是3 0 m b s ，若要同时检测来自明域和微光域的信息，采集的数据则会翻番。为了便 于整个系统得扩展，将1 4 0 0 m m 的钢板划分为几部分，各自进行缺陷特征的纪录。在此通 过三个处理模块进行处理，每部分选择一个行频大于6 6 7 k 的2 k 的c c d ，驱动频率需要 达到1 2 m h z 。东芝的t c d l 2 0 9 1 0 1 像素为2 0 4 8 ，最高驱动频率为2 0 m h z ，满足系统的要求， 此时每一个模块需要处理的数据量为1 3 m b s 。 3 1 2a d 转换 c c d 传感器在测量光强信息时需要把对应c c d 空间光敏所感受光强转换成输出电压幅 值再转换成数字编码送入微处理器处理。c c d 视频量化一般经过放大，采样保持，量化 编码的过程。在实际应用中采样保持电路中的保持电路不一定都需要。如果被采样的模 拟信号变化相当缓慢或采用足够快的a d 转换器，均可以省去保持电路。本系统中c c d 输出的信号已经是离散的模拟信号，信号频率即为c c d 单元转移频率s p ，对于选择的8 位的a d 采集，转换时间t ( n n ) ，可以不设计保持电路。本题中在行频6 6 7 k ，n 为 2 0 4 8 像素的情况下t 7 0 n s 。对于2 k ，行频6 6 7 k 的，一秒钟需要转换1 3 m 的数据量，出 于以后扩展考虑，选择转换频率为4 0 m h z 的t l c 5 5 4 0 2 0 1 0 图3 - 2 为a d 部分的设计情况。 1 4 图3 2a d 部分原理设计 f i g3 - 2 t h ep r i n c i p l ed e s i g no fa dm o d u l e 因为系统不需要再现原始信号，故采取欠采样方式，可直接将c c d 的像元同步信号接 基于d s p 的缺陷检测硬件系统的设计 到a d 的c l o c k 端，但是考虑到调试的需要，先让其通过c p l d 作时序的调整。再通过c p l d 为t l c 5 5 4 0 提供采样频率。该芯片没有转换结束信号，只是在采样频率上升沿开始转换， 在4 个周期后，数据被送到内部的锁存器中。可以以此来控制对f i f o 的写时序。 3 1 3flf o 的选用 e m i f 总线在系统时钟为2 0 0 m h z 的时候，其总线的全速数据吞吐率是8 0 0 m b s 。由于 s d r a m 也同时挂接在e m i f 总线上，为了不使d s p 漏采c c d 采集到的信号，因此，在整个 系统加一块缓冲器很有必要 2 1 1 。 先进先出存储器( f i f o ) 的接口设计较复杂，一是因为f i f o 本身类型繁多，二是对于 同一种f i f o 在接口设计上呈多样性，而且可能需要附加逻辑。f i f o 大致可以分为三种类 型：同步f i f o ( s y n c h r o n o u sf i f o ) 、异步f 工f o ( a s y n c h r o n o u sf i f o ) 和触发f i f o ( s t r o b e f i f o ) 。这些f i f o 一般都提供标准的读写控制信号如读使能( r e n # ) ，输出使能( o e # ) 以 及写使能( w e n # ) ，此外通常还提供状态标志信号以便控制数据传输，主要包括空标志 e f # ( e m p t yf l a g ) 、满标志f f # ( f u l lf l