异纤在线检测清除装置的设计

王东云,陶雪华,胡 蓉

(中原工学院,郑州 450007)

异纤在线检测清除装置的设计

王东云,陶雪华,胡 蓉

(中原工学院,郑州 450007)

设计了一种异纤清除装置,不仅选用新型的照明光源和线阵CCD摄像机进行高速图像采集,还选用尤其适合复杂算法的数据处理芯片DM 642进行异纤识别与定位.并且在FPGA内部设计了嵌入式缓冲FIFO,实现了与DM 642进行无缝接口,解决了高速图像数据采集与实时数据处理的矛盾,提高了异纤识别率.该异纤清除装置现已成功应用于在某异纤清除项目中,异纤识别率在90%以上.

异纤在线检测清除;识别与定位;嵌入式缓冲FIFO

我国是产棉大国,由于种种原因,待加工原棉中往往混有毛发、毛纤维等杂质,统称为异性纤维.夹带的异性纤维比例虽小,危害却很大.不少工厂采用人工挑拣的办法,费时费力,效果也不好.随着异性纤维检测系统的出现,越来越多的厂家开始在轧花工艺中采用异性纤维自动检测系统,代替人工分拣,不仅大大提高了产品质量,也降低了生产成本.国外检测设备比较成熟但产品价格高,而国内的中小型棉纺厂家购买力不强.近年来国内也出现了许多异纤清除产品,但是大多参照国外厂家的早期产品进行开发,异纤识别率低,落棉含杂率高,效果仍不理想[1-3].因此,如何提高异纤识别率、降低落棉含杂率,是目前异性纤维检测系统急需解决的问题.本文在综合考虑了主要技术指标后,提出了解决办法,提高了图像采集精度和实时识别速度.

1 系统整体结构设计

开发异性纤维智能检测装置的目的是清除那些与棉纤维性能接近的异性纤维及被污染的纤维,除此之外,麻绳、布片等杂质也在清除的范围之内.系统的工作原理如图1所示.

图1 系统原理图

棉花进入传送管道,在照明系统的均匀照射下,经线阵CCD摄像机高速扫描,将采集到的图像传输到嵌入式控制器,由控制器的图像处理模块提取特征,识别出异性纤维及杂质,并计算分析定位.当异性纤维或杂质通过除杂区时,上方横向排列的高压喷嘴根据杂质的位置,控制器通过采用的控制策略驱动相应的喷嘴将杂质喷除.

为了有效地进行识别,装置的结构应能够保证原棉传送速度稳定,被传送的原棉要尽可能薄地平铺在传送道中,以保证杂质能暴露在表面.

异纤清除是一种在线检测以及自动去除原棉中异性纤维或色纤的装置,实时性非常强,主要考虑如下几个主要的技术指标:

(1)识别率:指识别出杂质与原棉实际含有杂质的数量之比,它代表了机器的识别能力.

(2)落棉含杂率:是指被清除掉的棉花中含正常原棉的比率.由于棉花纤维之间存在作用力,清除装置在击中杂质时一定会将周围的部分棉花一同打落,因此落棉含杂率代表了机器为实现除杂对原料的浪费程度,作为评价机器性能的标准.

为了适应实际工业生产的需要,装置应达到很高的识别率和落棉含杂率,高速运行以满足产量要求.

2 异纤图像采集

2.1 照明系统

照明系统有2个主要的要求:

(1)光亮度高.现代工业生产在线检测时,为满足生产速度要求,线扫描CCD曝光时间极其短暂,一般为几微秒.这对为线扫描CCD照明的线性光源的光亮度提出了苛刻的要求.一般照明用光源无法达到这一亮度等级,采用一般照明光源会使得CCD采集到的图像昏暗不清晰,对比度极低,边缘不清晰,不利于在线自动检测,甚至会造成误检,影响生产效率和成品率,只有采用超高亮度的线性光源才能获得明亮、对比度高的图像.

(2)均匀性好.LA系列采用聚光透镜以增加光照度,并把光束宽度控制在合理范围,很好地权衡了安装的方便程度以及外部震动导致光束位置的偏移.线扫描CCD采集到的图像质量,很大程度上取决于线性光源一维方向上的均匀度,同时考虑到工作过程中震动对光束的影响,对光束的中心到边缘上的均匀度要求也很高,不能因为光源位置的微小偏移而对采集图像的质量造成巨大的影响.

这里采用的是 Morlux公司LA系列超高亮度LED发光体,在工作距离内可以达到150 000 lux的光照度,远远超过了其他同类产品,为CCD采集到高对比度的图像提供了有力的支持,是线扫描CCD的绝佳照明光源.

2.2 图像信号采集

系统要求在线检测速率达到5 000线每秒,每线2 098个点,因此对数据采集、存储、传输速度和处理速度提出了较高的要求.本设计使用的相机是德国Basler公司的L 304kc,它的视频输出接口为camera link格式.

2.2.1 camera link接口原理

Camera Link是一个工业高速串口数据和连接协议,是多家摄像头供应商和图像采集公司在2000年10月联合推出的,旨在简化CCD和图像采集之间的连接,如图2所示.Camera Link可为高速、高精度的数字摄像头提供简单、灵活的连接.它是由一对驱动器和接收器组成,其工作方式为驱动器接收28路数据信号和1路时钟信号,数据以7∶1被串行化为4路数据流,加上1路时钟,共有由5路LVDS驱动器和接收器驱动.接收器接收5路LVDS,并将它们重新转化为28路数据信号和1路时钟信号.

图2 Camera link工作原理

其中,Camera Link信号分为4类:

(1)图像数据信号.图像信号分为24位数据信号和4位数据有效信号.数据有效信号为 FVAL、LVAL、DVAL和Spare,它们分别是帧有效、行有效、数据有效和保留信号.本相机为线阵CCD相机,所以,不需要定义帧有效,只用LVAL和DVAL.

(2)相机控制信号.在Camera L ink接口中有4条LVDS线对用来实现对相机的控制,分别为Camera Control1(CC1) 、Camera Control2(CC2) 、Camera Control3(CC3) 、Camera Control4(CC4),由相机制造商自由定义各控制信号的功能以满足他们的特殊产品.本设计的相机只使用了CC1,定义为外部时钟同步信号(ExSYNC),用来选择曝光模式以控制行读出和曝光时间.

(3)异步串行通信信号.相机接口中有2对LVDS信号用于相机和图像采集卡之间的异步串行通信,分别是Ser TFG(相机串行输出端至图像采集系统串行输入端)、Ser TC(图像采集卡串行输出端至相机串行输入端).

(4)电源信号.Camera Link连接器不提供电源,而是通过单独的电缆提供.Camera Link协议允许相机制造商自由定义电源连接器和相机的工作电流和电压.我们这里用的是+12VDC.

2.2.2 camera link接口设计

由于L304kc彩色CCD线扫描摄像机输出的是LVDS信号,需要转换为标准 TTL/COM S数字RGB三色信号,无法直接和DSP的视频端口进行连接,这需要专门的接口电路进行处理.接口处理电路包括2个过程:一是先根据信号的不同分别采用不同的转换芯片进行LVDS信号的解串和电平转换;二是在FPGA内部设计一个缓存FIFO,以便缓冲高速采集的视频流.

(1)LVDS信号的解串与电平转换.这里采用DS90CR288接收器实现图像数据的电平转换与解串,在信号设计中,需要进行终端匹配,以减少终端信号的反射,确保信号的完整性,提高信号的传输质量.因此,在接收器的差分线对间跨接一个100Ω的电阻,系统也需要此终端电路来产生正常工作的差分电压.图3所示为MDR26与DS90CR288接口方案图.

图3 MDR26与DS90CR288接口

根据 camera link接口原理,我们选择DS90CR288芯片接收4路数据信号和1路时钟信号,并将其转化成28路 TTL电平数据传送给FPGA.

同理,为了对相机进行控制,我们选择用DS90LV 017实现对相机的电平转换控制.MDR26与DS90LV 017的接口设计方案如图4所示:

图4 MDR26与DS90LV 017的接口

我们选择 DS90LV 019实现与相机间的串行通信,通过这个串口完成对相机的配置.它与MDR26之间的接口设计如图5所示.

图5 MDR26与DS90LV 019的接口

(2)缓存FIFO的设计如图6所示.异纤清除对精度和速度有较高的要求,为了使系统做到高速数据采集与实时数据处理,需要在相机与DSP间加入缓冲设备,而且DSP的EM IF提供了对FIFO的无缝接口能力,因此本系统考虑在 FPGA内部设计嵌入式缓冲存储器的方案[4].异步FIFO存储器有以下优点:有2个端口分别进行读写访问,读写速率可以不同,读写操作可同时进行而且不必同步;数据的写入和读出遵循先进先出的原则,读写的次序是确定的,读写地址完全有FIFO内的地址指针确定,无需提供外部地址.在FPGA内部实现FIFO的设计方案体现了本设计的优点.

写使能信号有效时,在每个写时钟WCL K的上升沿都有一个数据被存入 FIFO;写满一半 FIFO后,HF满信号触发中断,FIFO映射到DM 642的CE3空间,写使能有效,DM 642以EDMA方式读这写满的一半FIFO;同时另一半FIFO继续写入数据,读写相对独立,实时性更强.

图6 FIFO缓冲器

3 异纤识别与定位

TM S320DM 642(简称 DM 642)是 TI公司 C6000系列的一款新型高性能专用数字处理芯片,其丰富的外围接口使得它近乎是一个多媒体嵌入式系统的单芯片硬件平台.系统选用DM 642作为异纤识别与定位的图像处理器[5].

本系统在视频图像的处理过程中会产生大量数据,而DM 642内部最多仅有 256 kB的 RAM,所以需要扩展大容量的外部存储器才能满足数据处理的需要.A提供了4个彼此独立的外部存储接口CE[3:0],系统通过DM 642的 接口外部扩展2片SDRAM,用于存储程序、数据和缓存数字视频信息,提供了对SDRAM的无缝接口,在CEO空间提供了64 bit宽的 SDRAM接口总线,把 2片 32位的SDRAM并接,实现CEO空间的64 bit存取.扩展1片Flash存储器用于固化程序和一些掉电后仍需保存的用户数据,为从 Flash启动,将 Flash连接到CE1.

系统初始化,并设置好中断、通道,然后等待中断.当中断到来,采集到的图像数据送入处理器,用户算法作为任务线程嵌入DSP软件系统中.此时,DSP自动将Flash存储器中的程序自举到DSP的内部程序存储区,并开始执行程序,调用用户算法对缓存中的视频数据进行异纤识别.根据处理结果来判断有无异纤,从而控制异纤清除机构的动作.系统流程如图7所示.

图7 检测流程图

4 异纤清除执行机构

识别异性纤维的最终目的是为了有效地清除,当识别装置发现杂质时,经过控制策略发出控制信息,该信息通过控制器向相应位置的喷嘴发送指令,使其在指定的时间喷射气流,将杂质喷出.

根据棉花流的运动速度和异性纤维的识别初始位置进行计算,这个时间和原棉的传送速度决定了喷嘴的位置与摄像机之间的距离,关系到能否准确、准时地清除杂质.清除机构采用高压喷嘴进行清除,为了有效清除棉流中异性纤维,我们将根据棉流宽度决定喷嘴的数量,喷嘴的控制可通过FPGA的I/O口进行时序驱动.除杂装置的设计主要包括喷嘴的安装位置、排放数目、控制策略以及喷嘴大小和压力的设计.高压喷嘴的气源压力是否能够满足喷除异性纤维的压力,输棉管道的气流速度是否恒定,以及速度的大小,对于图像的采集、识别及定位有着重要的影响,因此这些参数在进行系统设计时都给予充分考虑.另外,整个检测装置的功耗也须在满足系统性能的要求下,达到最小的功耗.

5 结 语

本设计针对系统的具体使用需要,采用了新型线阵CCD摄像机,并针对该相机接口设计了专门的接口电路,而且采用FPGA与DSP相结合的方式来实现异纤的检测,充分利用了二者在图像处理方面的优势.目前已经完成了上述图像处理板的关键设计,并已成功应用于某异纤清除项目中,异纤识别率在90%以上,适合于生产线速度为10 m/s的原棉工业检测,创造了一定的经济效益.

[1]石庚尧.浅谈异性纤维捡出装置[J].北京纺织,2003,24(3):51-53.

[2]李妙福.异纤在线检测清除装置的特征与应用[J].上海纺织科技,2006,34(1):15-18.

[3]陆振挺,陈玉峰,张新英.异纤清除技术的发展探讨[J].上海纺织科技,2008,36(1):15-17.

[4]宋燕星,袁峰,丁振良,应用同步FIFO的高速图像采集系统[J].仪器仪表学报,2006,27(6):1360-1631.

[5]韩非,胡春梅,李伟.TM S320C6000系列DSP开发应用技巧[M].北京:中国电力出版社,2008.

The Design of the Foreign Fiber Detecting and Clearing Device

A foreign fiber detecting and clearing device is designed,w hich not only chose the new type of lighting and line-scan CCD camera as image acquisition,but also chose the DM 642 as image p rocessingmachine to recognize and locate foreign fiber.An embedded buffer FIFO is designed in the FPGA to meet glueless interface.It solves the contradiction betw een image acquisition and real time data p rocessing,also imp roves the fo reign recognition rate.The design has been used successfully in a p roject of foreign fiber clearing,and the foreign fiber recognition rate is as high as 90%.

foreign fiber detecting and clearing device;recognition and location;embedded buffer FIFO

WANGDong-yun,TAO Xue-hua,HU Rong
(Zhongyuan University of Techno logy,Zhengzhou 450007,China)

TP274.2

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2010.01.008

1671-6906(2010)01-0025-05

2009-12-21

郑州市科技攻关项目(083SGYG25124-3)

王东云(1964-),男,湖南长沙人,教授,博士.