（电力电子与电力传动专业论文）空瓶自动检测系统的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r o d u c t i o no fb e e ri n d u s t r y , e m p t yb o t t l em u s tb ei n s p e c t e db e f o r eb e i n g b o t t l e dt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s t r a d i t i o n a li n s p e c t i o nm o d ew h i c hr e l i e s o nh u m a ne y e sc a nn o tb es a t i s f i e dw i t ht h ed e m a n do fa c c u r a c ya n ds p e e d ，a n d g u a r a n t e et h eq u a l i t yo fd e t e c t i o n a u t o m a t i ci n s p e c t i o ns y s t e mh a sb e e na p p l i e dt o m a n yp r o d u c t i o ni n d u s t r i e s ，a n dt h e na d o p t i n g a u t o m a t i ci n s p e c t i o ni ns t e a do f d e t e c t i o nw i t hh u m a ne y e sh a sb e c o m ead e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h es y s t e mc a n o v e r c o m et h ed e f i c i e n c yo fi n s p e c t i o nw i t hh u m a ne y e sa n de n h a n c ep r o d u c t i o n e f h c i e n c ya n da u t o m a t i cd e g r e eo fp r o d u c t i o n s o ，a u t o m a t i ci n s p e c t i o ns y s t e mo f e m p t yb o t t l ei ss t u d i e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h es t a t u so fi n s p e c t i o ne q u i p m e n t sf o re m p t yb o t t l ea n dm a r k e td e m a n da r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r d e s i g ns c h e m eo fs y s t e mi ss t a t e dc o m p r e h e n s i v e l y , f o c u s i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e a n i n g so f b e e re m p t yb o t t l ei n s p e c t i o ns u c ha s t h em e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ls y s t e ms c h e m e t o wa s p e c t sa r es t u d i e di nd e t a i l f i r s t ， i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nf p g a + d s pi sa d o p t e d s e c o n d ，e l e c t r i cd r i v e s y s t e mw i t hp l c “n d u s t r yc o m p u t e r + i n v e r t e ri sa p p l i e di nc o n t r o lm e t h o d t 1 1 e m a j o rc o n t r i b u t i o n sa r ed e v e l o p e da sf o l l o w s ： 1 t h eu s eo fm o d e mp o w e re l e c t r o n i ca d p a r a t u sa n dl e di n f r a r e dr a yi ns p a r k o p t i c a ls y s t e m ，t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm a c h i n ev i s i o ni m p r o v et h e i n s p e c t i o na c c u r a c y h i g hr e s o l u t i o n o fc c dc a m e r at e c h n o l o g yi s a d o p t e di ni m a g ec o l l e c t i o n w h i c hm a k e st i n ys t u f fd e t e c t e d a tt h es a m e t i m eu s i n gn e wo p t i c a lr e f l e c t o rs y s t e m ，i m a g eo fm a n ya n g l e sc a nb e p r o v i d e d t h em e a s u r er e s u l ti sm o r ep e r f e c t 2 a u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r yi sa p p l i e dt or e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fi m a g e p r o c e s s i n ga n d e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y i m a g em e a s u r es y s t e mo fe m p t yb o t t l e b a s e do nd s pi sd e v e l o p e d ，a n dd i s t r i b u t e dh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o n m u l t i c e n t e rs i m u l a t i o ni sa d o p t e d a n dv i d e os i g n a li sc o l l e c t e da n dm a n a g e d i nr e a lt i m e e v e r yi n s p e c t i o ni t e mo fe m p t yb o t t l ei sf u l f i l l e dp e r f e c t l y t h e r e s e a r c ha p p l i e sm a n ya l g o r i t h m st ot h ed e c i s i o n - m a k i n go fm e a s u r e m e n t ， a n dt h e nt oj u d g et h eq u a l i t yo fe m p t yb o t t l em o u t h ，b o t t o ma n db o d y 3 e l e c t r i cc o n t r 0 1m e t h o do fp l c + i n d u s t r yc o m p u t e r + i n v e r t e ri sp u tf o r w a r d ， e s p e c i a l l yf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y i s a p p l i e dt o e l e c t r i cd r i v e s y s t e m s y n c h r o n o u sm o t o ra n df r e q u e n c yc o n v e r s i o ng u a r a n t e et h es t r a p c a r r i e so n s y n c h r o n o u s l 5r e l i a b l y , a n ds t e a d i l yt h r o u g hd i g i t a l c o d e t r a n s m i s s i o ns y s t e m d e f e c tb o t t l ei sp l a c e dt h r o u g hp l ca n di sp i c k e do u t s m o o t h l ya n da c c u r a c y t h r o u g ha n a l y s i sa n ds t u d yo ft h e o r y , a n ds y n t h e s i z i n gt h er e l a t e da r t i c l e so f e m p t yb o t t l ei n s p e c t i o n , t h et o t a ls t r u c t u r e o fe m p t yb o t t l ea u t o m a t i ci n s p e c t i o n s y s t e mi sc l e a rf a r t h e r i ti se m p h a s i z e dt h a te m p t y b o t t l ei n s p e c t o ri sa l li n t e g r a t i o no f o p t i c a l ，m e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a la n dd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a r t db a s i si s e s t a b l i s h e df o raf a r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：e m p t yb o t t l ei n s p e c t i o n ，m a c h i n ev i s i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，d s p , f p g a ， i n v e r t e r , p l c 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。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科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蕉鱼垒 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：师繇逊日期：型如 山东大学硕士学位论文 第1 章空瓶自动检测系统的总体方案设计 1 1 概述 空瓶自动检测设备是在巨大的市场需求和光、机、电等技术的飞速发展下诞 生的，并以其高速度、高精度、高度自动化的特点，成为了如今高速自动化流水 生产线上的重要设备之一，是光、机、电、多传感器、计算机、数字图像处理和 机器视觉等技术有机结合的集中体现，有着极高的科技含量和技术难度。 本章分析了空瓶自动检测机的现状和市场需求，阐述了空瓶自动检测机的概 念、目的和意义，提出了详细的空瓶自动检测机的整体结构，包括机械结构与电 气控制系统的设计方案，并介绍了瓶口、瓶底、瓶身检测和残留液检测的基本原 理。 1 2 空瓶检测设备的现状和市场需求 1 2 1 啤酒工业设备现状 啤酒行业是中国酿酒工业中最年轻、发展最快的行业。据统计，1 9 9 8 年我国 啤酒产量达1 9 8 8 万吨，1 9 9 9 年上升n 2 0 8 8 万吨，中国2 0 0 7 年的啤酒产量已接 近4 0 0 0 万吨，成为世界第一啤酒生产大国。以目前年产量计算，我国人均啤酒 消费量不n 3 0 升，还不到世界人均消费水平，预计今后数年我国啤酒生产增长率 仍会维持在一个较高水平上。如此巨大的市场需求促使啤酒生产和包装设备的迅 速发展。目前，我国啤酒灌装设备制造水平已达到2 0 世纪9 0 年代国际水平， 落后于国# b l o 一2 0 年。我国国产糖化设备和发酵设备已经占据了国内市场的主导 地位，其配套的电气控制系统已能实现国产化。国产设备可装备年产3 万 2 0 万千升的啤酒企业，基本能满足国内新建厂和老厂改造的需要。啤酒过滤设 备已达到9 0 年代中期国际先进水平。与啤酒酿造设备、灌装设备配套的管件、 阀门等配套制造水平有很大提高，但一些关键技术设备部件还有1 5 一2 0 需要进 口，国内同类可替代品与之相比还存在一定差距。从整条瓶装啤酒灌装生产线来 说，除高速空瓶验瓶机和高速贴标机以及纸箱包装机外，在国内市场上，国产装 备已占主导地位并且基本上能满足啤酒工艺的要求。 1 2 2 空瓶检测设备的市场需求 随着啤酒市场的发展与成熟，消费者对产品质量的要求越来越高，对啤酒工 山东大学硕士学位论文 艺和设备的要求也越来越高。由于现在灌装速度每小时达2 0 ，0 0 0 瓶以上的灌装 机在我国已相当普遍，并且随着啤酒产量需求的增大和灌装生产线技术水平的提 高，灌装速度己达到每小时48 万瓶6 万瓶。对啤酒灌装前的空瓶检测速度也 是要求越来越高，以前我国靠人工检测空瓶已无法满足生产的需要。而在国外高 速生产线上，针对容器、产品包装、喷码字符的在线检测，普遍采用了机器视觉 自动检测技术，提高检测速度。同时随着啤酒瓶爆炸伤人事故的频繁发生，对于 啤酒瓶的检测显得尤为紧迫和重要。 根据调查，在国外，对啤酒空瓶的检验大部分己实现由自动化设备代替人眼 对不合格、残次啤酒瓶进行挑拣和剔除，并且已有相当多的国外企业已经开发研 制了空瓶检测系统。如：德国的m i h o 系统、h e u f t 系统；美国的i n d u s t r i a l d y n a m i c sc o m p a n y ，l t d 的0 删i v i s l 0 n i 系统。然而，在国内，由我国自主研发的 空瓶检测系统还相当少，只有由北京赛腾动力科技有限公司生产的s a t u r n 空瓶检 验机等少数系统，特别是空瓶检测机的核心技术的研究与开发还是一片空白。由 于国外产品虽然设备性能等方面比较好，但价格比较昂贵。维修、维护费用也较 高。而国内产品，虽然价格相对国外产品较低，但检测速度、精度等方面性能还 不是很完备，误检率相对较高。所以，国内许多啤酒生产企业尤其是中小型的啤 酒生产企业没有足够的资金投入，相对用人力较廉价，大部分还采用人工检测， 既耗费人力、物力、财力，漏检的几率叉高。而只有部分大型的啤酒生产厂家购 买并使用了空瓶检测设备。圈卜1 是现场应用空瓶检测机的资料图片。由于2 0 0 8 年新劳动法的颁布和实施，中国人力成本不断提高，空瓶检测设备替代人工检测 势在必行。【1 】 啤酒饮料行业的企业竞争日 趋激烈，已经不能允许有任何缺 陷产品流入市场，即所谓的“零 缺络”。在中国加入耵0 以后，中 国饮料机械与电器设备市场必然 受到国外大企业的强有力地冲 击。所以，开发完善具有自主知 识产权的空瓶检测系统是市场的需要，是自动化大生产的需要，也是新时代国人 山东大学硕士学位论文 的需要。为了强国利民，为了提高我国的自主创新研发能力做一份贡献。 13 空瓶检测设备的概念和意义 目前，玻璃瓶包装在啤酒工业中仍然占着较大的份额。大多数啤酒瓶厂商均 会重复使用回收的啤酒瓶，但回收瓶子的种类和质量相当参差。它们可能是原厂 的或是外厂的啤酒瓶，也可能是其他种类的瓶子。瓶子颜色有绿色的、棕色的、 或是透明无色的。瓶子里有各种异物。因此，旧瓶回收阻后，都必须经过洗瓶及 验瓶这两道工序，以确保其符合生产标准，迸一步进行灌装。为了保证进入灌装 工序的啤酒瓶的质量对经过洗瓶机清洗以后的啤酒瓶进行全面的检测是非常重 要的一道工序。回收的啤酒瓶经过清洗以后，还有可能出现以下不符台啤酒生产 要求的情况，如下图卜2 所示： 矗码 a ) 瓶口破损b ) 瓶身裂缝c ) 瓶内有异物d ) 瓶内存在残留液 图卜2 具有缺陷的空瓶情况 ( 1 ) 瓶口破损。这会导致啤酒瓶密封不严或封装存在隐患，导致次品出现，严 重影响啤酒质量。在包装车间的生产中，大约会产生1 0 9 6 12 不合格的 瓶子，而其中瓶口有缺陷的大约占07 o8 。 ( 2 ) 瓶身、瓶底破损。这会导致啤酒瓶存在加压后爆炸的隐患。 ( 3 ) 瓶身、瓶底内壁存在固体异物。这显然会影响啤酒质量。 ( 4 ) 瓶内存在残留液。这同样会影响啤酒质量。 对于凡出现上述情况之一或同时几种情况的啤酒瓶，必须将其从流水线上剔 除。以往这一工作大都由人工来完成，但是人工效率低、速度慢、精度低、漏检 率高、检测人员眼睛长时间工作很容易疲劳，容易受到心理状态的影响，增加了 人工成本；而使用空瓶检验机则具有精度高、速度快的优点，是提高生产效率， 解放生产力、人力的高科技手段。同时，用于啤酒生产线的智能空瓶检测机也能 够对各种饮料瓶的瓶底、瓶身、瓶口和瓶内残留液进行全自动的高速高效的检测， 并能够识别出非常细小的污点或瓶子玻璃的破损( i m e 嘛c e j 图4 - 5e m i f 接口信号线 4 4 3 外部存储器的选取 在高速d s p 视频处理系统中，数据存储器的作用是暂存图像数据。高速d s p 器件t m s 3 2 0 c 6 x 的片上数据r a m 只有6 4k b y t e s ，无法满足视频处理大数据量 rl、，、-，_，、j、l-，rj 篓篡焉l|l罢|i|l|兰纂=一 山东大学硕士学位论文 的需要，因此必须扩充片外数据存储器。 图像处理的速度由算法的执行时间、视频输人输出延迟以及外部数据存储器 与d s p 的数据交换效率等因素决定。算法执行时间与c p u 速度有关；数据交换 效率则与存储器种类、c p u 速度、e m i f 接口的工作方式有关，参见表l 。综合 考虑视频处理系统对c p u 速度、数据交换速度、接口容量等几个因素要求，可 以看出采用s d r a m 并使t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 工作在3 6 2 0 0m h z 是一种最佳的方案。 表1 几种数据存储器方案的比较 存储器类t m $ 3 2 0 c 6 2 0 l 的数据交换速c p u 工作速接口容壤 型e m i f 接强 度( m h z )度( m h z )( m b y t e s ) s b s r a m s b s r a m ( 全速)s 1 6 6 s 1 6 64 s b s r a m s b s r a m ( 半速) 1 0 05 2 0 0 4 s d r a ms d r a m 墨1 0 05 2 0 0 1 6 s d r a m 在动态存储器中采用了同步技术，读写速度从以往的6 0 7 0 n s 提高 到了6 7 n s ，提高了将近1 0 倍。在图像处理等需要大容量存储器的场合，s d r a m 可以提供非常高的性价比。在本系统中采用i o o m h z 的s d r a m 器件，注意只有 p r e c h a r g e 管脚对应位为a i o 的s d r a m 才可与t m s 3 2 0 c 6 x 完全兼容。 s d r a m 的一个关键要素是a i o 总是作为预充电引脚，为了支持这个功能， e m i f 的s d r a m 接口在引脚映射中使用引脚s d a i o 代替e a l 2 来支持必要的 s d r a m 操作。在行激活期间，s d a i o 逻辑上等同于e a l 2 ，对于其它时候的s d r a m 操作，s d a i o 用作预充电引脚。 2 5 】 4 4 4 图像数据采集电路及分析 电路如图4 - 6 。r a m 的片选信号c s 与t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 的c e 3 相连，如果存 储器的映射方式为m a p l ，则s d r a m 的地址范围为0 3 0 00 0 0 0 到0 4 0 00 0 0 0 之 间。高低字节屏蔽线分别为d q m u 和d q m l ，行地址线为a o a 1 1 ，列地址线为a 0 a 7 ，b a n k 选择线为b a 1 ：0 。b e 3 ：0 由地址线低两位译码而成，由图可看出， 当b e 1 ，b e 0 任意一个为0 时选中芯片1 ，b e 3 ，b e 2 任意一个为o 时 选中芯片2 。 c p l d 采用a l t e r a 公司的e p m 9 3 2 0 ，在数据采集模块中它既接受d s p 的控 制信号，又采集图像传感器的时序输出信号，控制s d r a m 的读写，当一帧数据 3 9 山东大学硕士学位论文 信息采集完毕后向d s p 发送采集完毕信号；当图像处理程序需要对图像进行处 理时，c p l d 将图像信息从s d r a m 中读到总线上，让d s p 来读取，所以c p l d 所 要完成的任务具体分为三块：与d s p 的通信，采集图像传感器的时序，对s d r a m 的控制( 在采集时对其进行写，传输时对其进行读) 。 图4 6 图像采集电路 c t r l o ，c t r l l 是d s p 对c p l d 的控制信号，决定c p l d 的工作状态是采 集、传输、空闲中的一种；s t a t e o ，s t a t e l 是c p l d 用来反映当前工作状态的 信号，d s p 定时采集用来决定程序的走向；v s y n c 是帧同步信号，h r e f 是行同 步信号，p c l k 是像素同步时钟，这三个信号是图像传感器的时序输出信号，反 映图像信息所处的状态。 数据传输的过程为：系统启动后，d s p 通过数据总线和片选读写线( c s b ，o e b ， w e b ) 初始化0 v 5 0 1 7 ，然后将d s p 的外部总线设置为普通i o 口模式，将c s b 与o e b 置低，使图像传感器自动由内部a d 输出数据，之后d s p 向c p l d 发 送采集命令，此前c p l d 处于待检测命令状态，当c p l d 检测到c t r l o ，c t r l l 的 状态之后开始硬件辨别h r e f 、p c l d 与v s y n c 的信号，在p c l k 的下降沿将数据 山东大学硕士学位论文 写入s d r a m 。 4 4 5d s p 与计算机的接口 计算机与d s p 间的通信采用了c p 2 1 0 1 芯片，c p 2 1 0 1 是一种单芯片u s b 转u a r t 的桥接器解决方案。该芯片包含一个u s b2 0 全速功能控制器e e p r o m ， 缓冲器和带有调制解调器接口信号( 适用于r s - 2 3 2 协议) 的异步串行数据总线。 它有一个集成的内部振荡器和u s b 收发器所以无需其他外部u s b 电路元件。 特点： ( 1 ) u s b 功能控制器和收发器 一符合u s b 规范2 o 全速( 1 2m b p s ) 一集成的5 1 2 字节e e p r o m 用于提供i d 等数据 一集成的收发器无需外部电阻 一集成的时钟无需外部晶体 一通过s u s p e n d 和r i 引脚支持的中止状态 ( 2 ) 异步串口数据总线( u a r t ) 一所有握手和调制解调器接口信号 一数据格式支持5 ，6 ，7 ，8 位1 或2 个停止位 一校验：奇校验，偶校验，无校验 一波特率3 0 0 b p s 到1 1 5 2 k b p s 一5 1 2 字节接收缓冲器和5 1 2 字节发送缓冲器 一硬件x - o n x - o f f 握手 一事件状态和线路中止条件支持 c p 2 1 0 1 引脚定义如表2 。 c p 2 1 0 1 框图如图4 - 7 。 c p 2 1 0 1 、计算机、d s p 间接口示意图如图4 - 8 。 下面具体介绍d s p 与c p 2 1 0 1 的接口。 4 1 山东大学硕士学位论文 表2c p 2 1 0 1 引脚定义 引脚名称t 3 l 脚譬类璎说明 电源 输入2 7 。3 6v 电源电压输入 v d d6 电源3 3v 电压调节器输出 输出 g n d3 接地 数字 器件复位内部端l j 或v d d 监桃器的漏搬歼路输 r s t9 出。一个外部源可以通过将该引脚驱动为低电平 i 0 至少1 5s 来j 自动一次系统复位 电源 r e g i n75v 调爷器输入此弓l 脚为片内f 乜愿调节器的输入 输入 数字 v b u s 感知输入，该号l 脚成连接至一个u s b 网络 v b u s 8 的v b u s 信号，当连通到一个u s b 网络时该引脚 输入 卜的信呼为5v 数字 阱4 u s bd + 0 数字 辨5u s bd i o 数字 t x d2 6 异步数据输出u a r t 发送) 输出 数字 r x d 2 5舞步数锯输入( u a r t 接收) 输入 数字 c t s2 3 清除发送控制输入低电平有效) 输入 数字 r t s2 4 准备发送控制籀l 出( 低电平有效) 输出 数字 d s r2 7 数据设鬣准备好控制输出低电平有效) 输入 数字 d t r2 8 数据终端准备好控制输出( 低电平有效) 输出 数字 d c di 数据传输检测控制输入( 低电甲钉效) 输入 数字 r l2 振铃指示器控制输入( 低电平自效) 输入 数字当c p 2 1 0 1 进入u s b 终止状态时该弓l 脚被驱动为 s u s p e n d1 2 输出高电平 数字 3 气c p 2 1 0 1 进入u s b 终止状态时该弓l 脚被驱动为 鼬s p 州dl l 输出低电甲 1 0 n c 这蝗弓i 脚应该为未连接或接剜v d d 的引啷 1 3 2 2 4 2 山东大学硕士学位论文 f p 2 l n l 、一，_ j i v l 垤f 6 哺 叫搏挚 3 v l ，一 v u ) o 蛐 4 洲l l z t 1 3 1 舟 0 犍i l i m 讲 1 l d ，l u sb u a 髓 u s a 删g o 删喊b l m 一it 僦 e t v e f 1 _ 一r 1r _ 5 1 2 b5 1 2 b x 嫩j l5 l 擅r c v e e 豫o mb j f 薯b | i f l 西 图4 - 7c p 2 1 0 1 框图 计辫枫 a u s bt a r t 仝 d s p v c p 2 1 0 1 矽 图4 - 8c p 2 1 0 1 与计算机和d s p 接口示意图 u a r t ( 即u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r 通用异步收发 器) 是广泛使用的串行数据传输协议，因为它是异步方式的，所以通信链路不需 要发送时钟信号。u a r t 传输协议含有用来帮助同步接收器接收数据的起始位和 停止位。数据序列中一个高电平到低电平的转变标志着传送的开始。在开始位后， 数据位首先从l s b 串行发送。奇偶校验位是可选的，这取决于u a r t 的格式( 每 帧数据都以停止位结束，通常为逻辑高电平) 。 t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 是高性能的数字信号处理器，通常进行串口通信时 是使用它的多通道缓冲串口m c b s p ( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a l p o r t ) ，这种 串口模块是在c 2 0 0 0 系列以及c 5 0 0 0 系列d s p 的标准串口基础上发展而来 的，是一种同步串行接口，因此并不支持u a r t 标准。为实现t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 与 u a r t 的通信，可以通过软件，使m c b s p 具有u a r t 的功能。 当t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 以通常的串口模式与u a r t 相连时，它的m c b s p 的数据输 入和帧同步输入都与u a r t 的发送数据线相连。这是因为u a r t 的串行数据线既 4 3 山东大学硕士学位论文 u a r t c b s p t x厂 d r 硝r r x d x 图4 9 通常串口模式时t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 与u a r t 连接图 有数据信息，又有帧信息。而此时u a r t 的接收数据线要与m c b s p 的数据输出 线相连，如图4 - 9 。 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 使用m c b s p 内部的采样时钟，m c b s p 可以配置成接收和发送 数据，u a r t 的l b i t 对应于m c b s p 的1 6 b i t 。软件必须将l b i t 扩展成要发送 的1 6 b i t ，同样也要将接收到的每个1 6 b i t 压缩成1 b i t 。这就要求设置采样速 率发生器产生一个内部串行时钟，是串行波特率的1 6 倍。因为每个u a r t 字都 以一个下降沿开始，这个下降沿可以用作帧同步输入。数据线和帧同步信号都连 接到u a r t 的输出上就可以得到这一信号。 为了以8 n 1 ( 8 个数据位，没有奇偶校验位，1 位停止位) 的格式给u a r t 发 送l b i t ，发送器应该分两个部分。第一个部分包含9 个1 6 b i t 的字，第二部 分包含2 个8 b i t 的字。帧的第一部分是开始位和8 个数据位，第二部分是停 止位。其它u a r t 的格式可以通过调整帧字的数量来实现。当以1 6 b i t 字发送 u a r t 时，u a r t 的1 被编码为o x f f f f ，0 被编码为o x 0 0 0 0 。停止位编码为8 b i t 字以便于调整成为1 5 位停止位，这样来适应可能需要的其它u a r t 格式设置。 4 4 6 电源模块 因为d s p 所用的工作电压需要两种：外围i o 电源d v d d 用3 3 v ，内核 电源c v d d 采用1 8 v ，并且d s p 对这两个电压有上电顺序的要求，内核应该与 i o 同步上电( 或者内核先于i 0 上电，掉电时内核后于i o 掉电) ，这是为保 证上电时，i o 缓冲区可以从内核收到i f 确的数据，避免总线冲突。因此，需要 用电源模块对电压进行转化。在本系统中，采用了t p s 7 6 7 d 3 1 8 电源管理芯片， 它能同时输出3 3v 和1 8 v 两种电压，每路最大输出电流达到1 o a ，能很好 的满足d s p 需要，也能满足c p l d 的要求。接口电路如图4 - 1 0 所示。【2 6 】【1 8 】 山东大学硕士学位论文 l r e s 日 吲嗍 淑愆 2 6 i 甲 l g 如 2 5 l e nl f 8 懈 0 手 l i nl o 阿 2 4 l l nl o u t1 n c2 r e s 耵 哼2 2 2 r e s i n c n c 2 0 i 瓜 2 g n d k 手 2 烈淑 1 9 2 1 n 2 0 u t 1 8 1 3 2 l n2 0 册 1 1 71 n cn c 1 6 1 41 5 v v 图4 1 0t p s 7 6 7 d 3 1 8 接口电路 4 5 基于f p g a 和d s p 的图像处理系统的总体设计 4 5 1 概述 在空瓶自动检测系统中进行高速数据采集系统中，通常采用单片机或d s p 来控制a d c 、存储器和其它外围电路的工作。但是，单片机时钟频率较低，难以 适应高速数据采集系统的要求，而d s p 虽然可以实现较高速的数据采集，但速度 提高的同时也提高了系统的成本。单片机擅长响应频繁的外部中断，d s p 擅长于 处理密集的乘加运算，而数据采集系统所要求的是高速进行的简单读写操作。在 高速数据采集方面，f p g a 有单片机和d s p 无法比拟的优势，f p g a 时钟频率高， 内部时延小。全部控制逻辑由硬件实现，速度快、效率高、组成形式灵活。因此 用大容量f p g a 来实现视频图像数据的采集。 己有的视觉检测系统大多采用c c d 摄像机+ 图像采集卡+ 计算机的结构，图像 信息经由图像采集卡传送给计算机，所有的计算均在计算机上完成。尽管现在计 算机技术已经有了很大的发展，但是其处理速度仍无法满足大量视频图像的处理 要求。采用高速d s p 技术实现复杂的图像处理已经得到了广泛的应用，因此考虑 用d s p 作为图像处理器来代替传统的p c 机，完成复杂的图像处理算法。 f p g a 实现简单高速的图像采集和滤波等图像预处理，而d s p 实现图像识别 等处理算法，采用f p g a 十d s p 这种结构组成的图像处理器，把f p g a 和d s p 有机 4 5 山东大学硕士学位论文 的结合起来，充分利用它们的优点，基于此设计思想开发的实时图像处理器，既 能实现高频图像信号的精确采集，又能保证运算处理的实时性与准确性，并且系 统稳定可靠。达到了智能化高精度的在线实时检测的目的。 在实时检测过程中，各检测单元需将检测结果等相关数据上传给监控管理单 元，检测结果为空瓶是否合格，数据量不大。在检测单元的调试过程中，需将采 集的数据同时上传，此时数据量虽然很大，但实时性要求不高。所以我们采用 u s b 总线方式进行通信。 根据上述分析，针对空瓶检测的特点和要求，设计的基于d s p 和f p g a 的嵌 入式图像处理器，主要包括以下几个部分：视频解码、图像采集控制、数据传输 控制、d s p 及其外围器件、u s b 主机接口等。结构如图4 - 1 1 所示。 视频 信号 图4 1l 实时图像处理器总体结构 视频解码完成c c d 传送的视频信号的a d 转换及同步信号提取。d s p 运行速 度高，而且还要完成数据处理、主机通信等任务，为减少d s p 的等待时间，在与 视频解码芯片之间需要加数据缓冲器，使相对低速的数据采集和高速的d s p 器件 匹配。可以采用d p r a m 或f i f o ，本系统中采用高速同步f i f o 来实现。视频解码 芯片及f i f o 器件的控制由f p g a 来实现，而f p g a 的控制参数由d s p 提供。 d s p 采用哈佛结构，比传统的冯诺依曼结构具有更高的指令速度，并行流 水技术，片内外两级存储结构、独立的加法器和乘法器，大大提高了运行速度。 它是系统的核心，接收主机的指令，读取f i f o 传送的图像数据，存储并运算， 然后将处理结果通过主机接口发送回主机。采用d s p 做运算处理，必将使图像处 理能力大大提高。 实时图像处理器采用串行流水线工作方式，如图4 - 1 2 所示： 山东大学硕士学位论文 数据流入数据流出 一匝卜虻， f p g a 流水线方式+ d s p 流水线方式 图4 1 2 实时图像处理器工作方式 4 5 2 系统的工作流程 啤酒瓶视觉检测，首先是接收现场传送过来的图像采集触发指令，然后在 f p g a 的控制下利用c c d 摄像机和高速的视频解码芯片完成一幅完整图像的采集， 并通过f i f o 传送至d s p 。接着是图像处理，在处理器中完成滤波、边缘提取、 图像识别等各种检测任务。最后将实时检测结果发送到主机及生产线控制系统。 然后回到第一步，如此循环。视觉检测的工作流程如图4 1 3 所示： 视频 图像 视频图像 图像识别 采样与滤 图像分割与结果传 波 输 图4 - 1 3 系统工作流程 通过光电感应开关等器件可以探测被测物体的位置，当被测物体处于最佳摄 像位置时产生一触发信号，通过扩展i o 发送到图像处理器，图像处理器接收到 触发信号，开始一幅图像的采集。图像处理包括图像预处理和图像识别，图像预 处理，主要是滤波，作用是滤除采集过程中由于光源等的影响而产生的噪声，使 图像的背景变的均匀，同时异物瑕疵等需要检测的指标要保持原有特征，此过程 可以由f p g a 来完成，也可由d s p 来完成。图像识别的过程，先对图像进行边缘 检测和二值化，得到图像的边缘数据，然后统计各个边缘的面积和周长，根据检 测阀值判断该被测物体是否合格，此过程由d s p 完成。最后将检测结果通过u s b 接口发送到监控管理单元，并控制相应的执行机构。 4 5 3f p g a 芯片的选取 f p g a 是2 0 世纪8 0 年代中期出现的一种新型可编程逻辑器件，现已广泛应 用于通信、计算机、图像处理等诸多领域。f p g a 采用了类似于掩膜可编程门阵 列的结构，继承了门阵列逻辑器件密度高和通用性强的优点，其芯片中包含的 l u t 和触发器非常多，往往都是几千万以上，如果用芯片价格除以逻辑单元数量， f p g a 的平均逻辑单元成本则大大降低，所以如果设计一个复杂的时序逻辑，电 4 7 山东大学硕士学位论文 路需使用到大量的触发器，使用f p g a 就是一个很好的选择。 f p g a 包括三类可编程资源：可编程逻辑模块( c l b ) ，是排列规则的实现基本 逻辑功能的单元，又叫宏单元：可编程输入输出模块( 1 0 b ) 、连接芯片与外部封装： 可编程内部互连( p i ) ，将内部各个c l b 、i o b 联接起来，c l b 和i o b 的具体逻辑 功能及它们的互连关系由配置数据决定。 本系统中接口的逻辑、系统的互连、以及数据通道都是由f p g a 完成的，另 外，f p g a 外扩了一些i o 口，以检测现场的传感器和输出控制信号，用p r o m 来 存放f p g a 的配置数据。f p g a 采用的是x i l i n x 公司的s p a r t a n x l 系列f p g a 芯片， 这是一种基于s r a m 的现场可编程门阵列。整个f p g a 的设计实现在x i l i n xi s e 4 1 开发平台上完成，该系统支持设计输入、逻辑仿真、设计实现( 设计综合) 和时序 仿真等系统开发全过程。【8 】 综合考虑成本和性能等因素，我们选用了s p a r t a n x l 系列的x c s 3 0 x l ，与之 匹配的p r o m 为1 7 s 3 0 x l 。选用容量相对较大的f p g a 的一个主要目的是将一些简 单且重复量大的运算由f p g a 来实现，在数据采集的同时进行图像预处理。 4 5 4 基于f p g a 的视频数据采集电路设计 1 s a a 7 1 1 1 a 芯片简介【2 7 】 选用不同的视频解码芯片，系统的构成和功能也有所不同，p h i l i p s 公司和 t i 公司都推出了不少视频解码芯片，本系统采用p h i l p s 公司的s a a 7 11 1 a 。 s a a 7 1 1 l a 是一个两路视频预处理芯片，该芯片内部包含了抗混叠滤波器，a d 转换器，自动嵌位和增益控制器，时钟发生器，多制式数字解码器，亮度对比 度饱和度控制电路，颜色空间矩阵等，适合于将p a l 制式和n t s c 制式的模拟视 频信号，解码为c c i r - 6 0 1 兼容的数字值。整个芯片的初始化通过写1 2 c 总线来 进行。输出信号包括a d 结果、行同步信号h r e f 、场同步信号v r e f 、奇偶场信 号r t s o 、像素时钟l l c 2 等。 2 s a a 7 1 儿a 模拟视频输入及时钟系统的设计 s a a 7 11 1 a 芯片提供四个模拟视频输入接口和两路输入通道，每路输入通道 包含嵌位电路、模拟放大器、抗混叠滤波器和8 位模数转换器。四个输入接口分 别为a 1 1 、a 1 2 、a 2 1 、a 2 2 ，其中a 1 1 、a 1 2 共用一个视频通道，a 2 1 、a 2 2 共用另 外一个视频通道。可兼容4 路c v b s 信号选择输入，2 路y c 信号选择输入，或者 山东大学硕士学位论文 2 路c v b s 和l 路y c 信号选择输入。通过1 2 c 总线设定地址为0 2 的寄存器中的 m o d e 2 、m o d e l 、m o d e o 三个控制位的值，选择特定的工作模式。在视频输入端需 要连接2 2 n f 的电容和阻值分别为2 7 和4 7 欧姆的两个电阻。 视频解码芯片的时钟可以分为来自外部的时钟和来自内部的时钟。外部时钟 只需要接入一个频率为2 4 5 7 6 m h z 的晶振，由x t a l 管脚和x t a l l 管脚连接外部 时钟信号。芯片内部还有一个时钟产生电路c g c ( c l o c kg e n e r a t i o nc i r c u i t ) ， 可以驱动晶体振荡器，产生系统行锁定时钟l l c ( 2 7 m h z ) 、l l c 2 ( 1 3 5 m h z ) 和时钟 参考信号c r e f