基于STM32的视觉检测光源控制器

何建方 席涛 黄果 李萍

1. 韶关东阳光自动化设备有限公司 广东 韶关 512721；2. 海南软件职业技术学院 海南 琼海 571400

引言

工业生产过程中，需要对生产产品进行检测，若人为去检测，必然会导致检测效率低、检测时间长、检测准确性跟人的经验有很大的关联度[1-3]。随着智能制造的发展，视觉检测开始应用于工业生产中的产品检测，可进行产品的外观检测、缺陷检测等，可以实现生产全机械化，减少人力资源成本[4-6]。

视觉检测主要流程为摄像机对检测物品进行拍照，对照片进行处理，得到检测结果，其照片质量优为关键，照片的质量很大程度决定于拍照光源的控制，通常采用光源控制器来对光源进行调整[7]。本文根据生产现场的实际需求，设计了一种可以匹配多种外部触发信号电压输入、可以控制多个相机和多个光源、可以结合当前环境光来自适应达到所需的光源亮度的光源控制器，匹配多种光源输入适用于多个应用场景，可以控制多个相机和多个光源可得到物品多个角度的结果，提高检测精确度，自适应环境光，在不同的环境光种都能保证检测图片质量，提高整个检测过程的可靠性。

1 光源控制器整体设计

本文为适应实际生产需求，研究了一种新型的光源控制器，通过核心控制器芯片来接收PC端发来的命令，经过处理后通过驱动电路发送到光源端实现调光。总体设计框架如图1所示，光源控制器的设计分为六大模块：①主控模块：采用ARM内核处理器，负责和上位机进行数据交互，以及外设的控制。具体为，检测光电传感器的信号，环境光亮度值，进行处理后，通过脉冲宽度调制技术调节光源的亮度以及开关方式。②环境光采集模块：通过光敏电阻采集当前环境光的亮度，经过中值平均滤波算法处理后，和PC端需要的光源亮度进行比对，进而得到控制光源的发光亮度。③电压转换模块：通过DCDC电路对输入电源电压进行降压处理，可适应7～24V大范围的输入电源电压。④光源驱动模块：利用脉冲宽度调制技术可对光源亮度进行无极调光。⑤多路光源及相机信号光耦触发模块：a.物品的拍照可有多个角度多个相机拍摄，需要开启不同方向的光源，一个光源开启对应一个相机的拍摄，可进行多个光源和多个相机协同拍照。b.恒流二极管的使用，可适应3.3V～24V宽范围的外部触发电压信号，完美解决不同器件之间电压不匹配的问题。⑥人机交互界面及显示界面：可显示当前工作状态，并可进行手动调节。

图1 总体设计框架

2 控制器硬件平台设计

控制器采用Cortex-M3内核的STM32微控制器为主体[8]，设计以下硬件设施来实现所设计的功能。

2.1 环境光采集模块设计

在光源控制器中加入光敏电阻作为环境光强检测，通过光敏电阻随着光亮度变化阻值变化的特性来感应光强度，加入AD采集电路将模拟信号转换为数字信号，将采集的光强度信号传输给主控模块进行处理。

2.2 多路光源及相机信号光耦触发模块设计

在物品四周布四个光电传感器，光源和相机，进行多角度拍摄。当某一个光电传感器被触发后，将发出某一个相机的触发信号，触发该相机的拍照模式，直至完成四个方位的拍照。另外，恒流二极管的使用，可适应3.3V～24V宽范围的外部触发电压信号，完美解决不同器件之间电压不匹配的问题。

2.3 主控模块设计

主控采用STM32微控制器作为数据处理中枢[9-10]，通过串口通信方式和PC端通信，使用脉冲宽度调制方式进行光源控制。使用中值平均滤波算法对环境光和PC端所需的光源亮度进行处理，得到控制光源的实际发光亮度。

2.4 电压转换模块

本设计光源控制器可适应7V至24V输入电压，通过DCDC和LDO的联用，设计如下图2所示电路对电压进行转换，保证光源控制器有一个稳压的所需电压输出。

图2 电压转换模块

2.5 光源驱动模块

光源控制器需要长时间工作，发热大，驱动电路采用低内阻的场效应管来实现器件的长时间稳定输出，如下图3所示。光源的亮度调节采用脉冲宽度调制方式控制，占空比和灯的亮度成比例关系。

图3 光源驱动模块

2.6 人机交互界面及显示界面

板载三个按键和一个四位显示的数码管[11]，既可以实现光源亮度的手动调节和工作模式的切换，也可以实时显示当前通道光源的亮度值。

3 控制器软件实现

3.1 系统的总体流程设计

本设计中使用Keil公司针对ARM硬件平台推出的RealView MDK对STM32进行软件开发[12]。

在整个系统的软件设计过程中，软件需要协调多个模块进行运作，数据在多个模块之间进行传输转换，整个系统的流程图如图4所示，通过各个模块的驱动函数调用，最终实现多个光源自动调节和多个相机协调拍照。

图4 系统总体流程图

3.2 环境光检测及光电传感器触发程序设计

下图5为环境光检测及光电传感器触发流程。

图5 环境光检测及光电传感器触发流程

通过光敏电阻检测环境光输入到ARM控制板，和电脑端传输的所需光源亮度做计算，得到光源最终亮度；

通过光电传感器时刻检测外部触发信号的有无，并将其触发信号传输给ARM控制板，控制光源亮度；同时也传输给PC，用于触发相机进行拍照。

3.3 环境光处理算法

在本设计中，我们使用中值平均滤波算法来对环境光采集到的信号进行处理，首先对环境光进行连续采样N次，然后把N次采样的值进行冒泡从小到大排序，丢弃极值后，对剩下值进行求平均作为本次采样的环境光值。由该环境光值和电脑端所需的亮度值，我们可得到实际光源所需的亮度值。根据此方法，可以兼容不同亮度的环境光，适用于各种场合。

算法的程序代码如下：

4 实验结果

本文研究的新型光源控制器已大规模应用于各类产品视觉缺陷检测，如图6所示为使用本设计光源控制器的视觉检测设备，极大提升了产品缺陷检测效率和准确度，降低用工成本。一台设备可代替5人，检测准确度达97%以上，图7所示为最终检测结果。此设备在工厂投入使用后，创造了很好的经济效益。

图6 视觉检测设备

图7 检测结果