基于数据采集卡的烟条表面瑕疵检测系统

□ 冯 浩 □ 李居峰 □ 赵佳庆 □ 邓宜兴

上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072

基于数据采集卡的烟条表面瑕疵检测系统

□ 冯 浩 □ 李居峰 □ 赵佳庆 □ 邓宜兴

上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072

介绍了一种烟条表面瑕疵检测系统中的自学习系统。该系统采用数据库、数据采集卡和工控机实现对香烟表面瑕疵的高速检测。与传统测量相比，具有的优势：第一，实现了对整个烟条表面的检测；第二，实现了无人操作，从开机、学习到检测不需要人工操作；第三，分开保存了合格与不合格的检测数据，方便历史追溯与统计。

数据采集卡 自动 光学 检测系统

传统的烟条表面瑕疵检测，大多依靠人工观察，效率低，而且只能是少部分抽查，即使有部分厂家使用自动检测系统，也只针对钢印的形状，而对钢印的位置与烟条上的其它瑕疵起不了作用。本文提出一种基于数据采集卡、工控机和数据库的工件表面瑕疵检测系统，在提高测量精度和效率的同时，保存了测量数据，便于工件加工工艺的改进。

1 工件表面瑕疵检测系统概述

本系统如图1所示，系统使用Visual Studio软件的C#编程语言编写上位机软件。该程序包括工件表面测量点信息和测量信息的数据库，并通过伺服电机及光码盘控制工件运动与瑕疵检测，通过DAQ-2010数据采集卡进行信号采集与模数转换，通过工控机处理与存储数据，并发送检测结果给PLC，PLC根据检测结果控制剔除阀剔除不合格香烟。通过用户界面可以手工设置参数及调看历史数据。

▲图1 烟条瑕疵检测系统示意图

2 数据采集卡选择与控制

DAQ-2010是凌华数据采集卡的成员之一，该数据采集卡基于计算机PCI总线，可同时采集四路电压信号。DAQ-2010数据采集卡的性能：支持32位3.3 V或5 V PCI总线，4通道差分模拟输入，最高可达2兆点/秒同步采样率，14位A/D分辨率，最高8kB采样A/D FIFO，双极性或单极性模拟输入范围，可编程增益：x1，x2，x4，x8。DAQ-2010数据采集卡同时还提供了可用于多种编程语言如VB、VC、VC++、C#等的二次开发的文件。

本文采用了C#编写上位机软件，其与数据采集卡的控制过程如下。

（1）安装驱动程序，在C盘会自动生成动态链接库文件D2K-Dask.dll。

（2）在Visual Studio软件的Windows窗体应用程序中，在“解决方案资源管理器”的栏中添加引用，选择现有项D2KDask.cs类文件，再在Form1.cs窗口顶端添加using D2KDask，便可调用数据采集卡的库函数。

（3）对采集卡进行初始化。

①注册采集卡，使用函数D2K_Register_Card，注册成功后会返回卡号值。

② 根据返回的卡号设置每张卡的采集电压范围和模式，分别使用函数 D2K_AI_CH_Config和D2K_AI_Config。DAQ-2010的采集范围最大为-10～10 V，采集模式有内部时钟和外部触发两种，采集频率最大为2 MB。本文选择了-10～10 V的采集范围，以及外部触发的采集模式，外部触发信号为光码盘的A脉冲，每进一个A脉冲采集一次数据。光码盘安装在生产所用的电机上，光码盘转一圈为256个脉冲，每64个脉冲为一支香烟的长度，利用外部触发可以不受生产速度的影响。本文所用的最大检测速度为10 kB，所以采集卡满足使用要求。

③设置A脉冲采集部分，使用D2K_GCTR_Reset函数设置采集通道，使用 D2K_GCTR_Setup与D2K_GCTR_Control设置采集模式，A脉冲的采集为程序检测生产速度服务。

④设置缓存，使用D2K_AI_AsyncDblBufferMode开辟双缓存，当一个缓存数据处理时，另一个进行采集，以保证操作的速度与数据的安全性。使用

D2K_AI_ContBufferSetup设置缓存大小，缓存大小为256 byte，正好为4支香烟的数据。至此，数据采集卡初始化完毕。

（4）启用与关闭数据采集卡，使用函数D2K_AI _ContReadChannel，采集卡开始工作，当收到外部触发信号时，开始采集。使用完采集卡后，使用D2K_AI_ AsyncClear释放缓存，再使用D2K_Release_Card关闭采集卡。

3 光学检测部分

采用光学检测，其主要由光电二极管、透镜、LED灯、放大电路等组成，利用光学进行测量，具有测量速度快、灵敏度高、操作简单、价格便宜等优点。光学检测原理如图2所示。

▲图2 光学检测原理

共分8个通道，每个通道有2个LED灯。LED灯光照射在烟条表面，反射后经透镜聚焦在光电二极管上，产生的电压信号经过放大电路放大输出。通过数据采集卡采集电压值，判断烟条表面颜色。

4 自学习与数据存储

4.1 自学习系统

该检测系统的自学习与检测主要由一条测速线程控制，通电之后电脑自动开启，程序开机自启动。由于需要进行高速采集和处理，程序使用了多线程技术，其中与学习相关的有4条，分别为采集卡监测线程、测速线程、A脉冲计数线程及学习线程。

程序启动后，测速线程开始工作。测速主要通过数据采集卡上的计数器采集电机光码盘上的A脉冲来测速，当一定时间内A脉冲数达到要求，程序进入自学习模式，如图3所示。其中A脉冲数“speed”由A脉冲计数线程提供。

采集卡监测线程开始检测采集卡状态。当半满（双缓存有一个存满）时，提取出数据，并通过D2K_AI_ ContVScale函数转化为标准电压值。这时，学习线程启动程序会采集20组数据，经计算作为标准模板，学习线程功能如图4所示。学习开始信号，由测速线程给出。采集卡半满信号为一组数据进来时的信号，由采集卡监测线程提供。学习的第一步为保存采集进来的数据，第二步为寻找Z脉冲，第三步是根据Z脉冲对准数据。虽然A脉冲为一圈256个，但偶尔会由于机械振动等原因导致脉冲变多。而该检测的一项内容就是钢印的位置，所以必须根据Z脉冲对齐（电机每转一圈产生一个Z脉冲）。程序中有采集次数设定，初始值为20次，也可手动更改。当采集次数达到设定值后，停止采集，进入数据处理阶段。

▲图3 测速线程工作原理图

数据采集完成之后进行数据处理，处理主要包括求平均曲线和计算包络线。

平均曲线为20组数据对应点求平均得到的平均值组成的曲线，再由平均曲线计算出检测所用的上下包络线。如图5所示，横坐标为香烟长度，一支香烟长64 mm，纵坐标为采集的电压值。

图中细实线为标准线，粗实线为上下包络线，只要采集的数据在包络线内都为合格。学习完后，学习线程关闭，检测线程启动。当速度低于一定标准值，程序进

入待机状态，直到速度再次满足要求。

▲图4 学习线程原理图

▲图5 系统学习后得到的图像

自学习系统解决了香烟品种不同造成标准曲线不同的问题，同时也降低了工人的劳动强度。

4.2 数据存储

C#提供有比较多种类的接口技术来支持数据库编程，例如ODBC、DAO、OLE/DB、ADO等。通过这些接口可直接操作SQL Server，Microsoft Access等多种较为普遍的数据库。但使用发现，数据库无法存储如此快的数据采集，所以采用txt文件作为数据存储，采用StreamWriter的方法写入txt，如果文件不存在，则会自动创建。由于txt文件随文件变大，存储速度就会变慢，所以每一天程序会创建600个txt文件，分别为1.txt，2.txt，…，600.txt，用来减小单个文件的大小。双缓存每半满一次，程序把数据存入一个txt，下一个半满时存入下一个txt文件，以防止一个半满时间txt没存完导致程序出错或数据漏存。以下为合格数据存储代码：

其中，wlog是新建的一个StreamWriter方法。用File.Appendtext（）来指定文件路径，并打开该文件，用wlog.Write（）方法写入数据，再用wolg.Flush（）保存文件，最后通过wlog.Close（）关闭连接。

使用txt解决了数据高速存储的问题，方便了历史数据追溯与统计。

5 结论

当机器通电后，电脑自动开机，程序自启动。学习、检测全部自动完成，不需要任何人工操作，节省了劳动力。使用了光学对烟条进行全方位检测，不漏过任何瑕疵。保存了不合格数据方便查看，程序里自带了各种瑕疵统计，有助于改进工作。最后通过剔除阀，阻止不合格的香烟通过。

［1］刘勇，程霄，张龙，等.基于DSP的卷烟圆周检测系统的设计［J］.测控技术，2008（7）：38-39.

［2］洪杰.基于激光传感器的在线烟支圆周检测系统研究［J］.湖南文理学院学报（自然科学版），2012（3）：60-62.

［3］宇景斌.高精度数据采集卡的应用［J］.计算机光盘软件与应用，2012（14）：151.

［4］吴小红.基于PCI总线的数据采集卡的设计与实现［J］.电子技术，2012（8）：57-59.

［5］冀鹏，黎海雪，杨晏龙，等.数据采集卡信号采集的软件扩展方法研究［J］.黑龙江科技信息，2012（13）:96.

［6］张广军.机器视觉［M］.北京：科学出版社，2005.

［7］高雪飞，朱开宇，甦震.基于研华数据采集卡和MCGS组态软件的离子镀膜监控系统设计 ［J］.化工自动化及仪表，2012（2）：253-255.

［8］龙杰，赵秋明，贾磊磊.基于PCI总线的数据采集卡在工业中的应用［J］.长春工程学院学报（自然科学版），2011（11）：131-133.

［9］尹秀妍.可编程控制技术应用［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［10］刘程，曾凡军.一种新型卷烟机圆周检测研究与应用［J］.装备制造技术，2011（7）：154-156.

［11］Nanko.Possibility of Machine Vision in the Pulp and Paper Industry［J］.Japan Tappi Journal，2009，63（3）:28-31.

［12］孟小芳.探析触摸屏的功能及应用 ［J］.企业导报，2012（22）：270.

［13］Field Jim.Smd Placement Using Machine Vision［J］. Electronic Packaging and Production，1986，26，（1）:128-129.

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2014年12月