一種運動帶狀材料在線質量檢測系統的製作方法

2023-11-03 23:56:27 1

專利名稱：一種運動帶狀材料在線質量檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明屬線陣圖像傳感技術和嵌入式開發技術領域，特別涉及一種用於檢測運動帶狀 材料質量信息的基於線陣圖像傳感器陣列的在線質量檢測系統。
背景技術：
目前用於檢測系統的方案一般有兩種 一種是基於PC機的檢測系統，另一種是基於 DSP的檢測系統。雖然通用PC機強大的資源優勢是其它系統所不能比擬的，但是高消耗
也是該系統一大弊病，只能提供中等的視頻處理能力，且要佔用CPU幾乎全部的處理能力，
另外該系統體積過於龐大，這些因素都造成了在工業應用中的不便，多用於視頻採集和視
頻處理的算法研究和仿真階段；基於DSP的檢測系統，由於DSP強大處理能力和高運行 速度，加上具有可編程性，實時運行速度可達每秒數以千萬條複雜指令程序，遠遠超過通 用微處理器。隨著DSP技術的發展，高速圖像採集與處理系統廣泛用於檢測系統中。另外， 近幾年關於嵌入式檢測系統大多是基於圖像採集卡的，沒有發現在不使用採集卡的疵點檢 測系統。不使用採集卡的質量檢測系統在實現對CCD相機的精確控制下降低了設備成本， 代表了當今檢測系統的發展方向。由於被測物體處於高速運動當中，而缺陷檢測要求高清 晰度高解析度的圖像，因此用普通攝像設備很難獲得滿足要求的無模糊圖像。線陣CCD 攝像設備每次掃描只對一條掃描線成像，利用被攝物體與CCD之間的相對運動通過連續 掃描形成二維圖像。因此，只要線掃描率足夠高，可以消除運動模糊。
質量檢測己被證實是生產過程中最難實現自動化的工序。目前運動帶狀材料的在線質 量檢測大多依靠人工目測的方法來完成。人工目測不但存在勞動強度大、效率低、易受人 為因素影響、誤檢率和漏檢率高等缺點,還會對工人的視覺造成嚴重的傷害。人工檢驗一般 只能檢驗出"40%~60%"的疵點。查閱國內外申請的關於帶狀材料在線檢測的專利了解到， 對帶狀材料的檢測僅限於鋼鐵，玻璃，印刷品等，如專利200710051862.7 —種基於機器視 覺的浮法玻璃缺陷在線檢測裝置；專利200410061395 —種印刷品質量在線檢測裝置；專 利200720067927 —種帶鋼浪型在線檢測系統，這些系統都是基於工控機的在線檢測系統， 都不涉及基於DSP的運動帶狀材料線陣圖像傳感器陣列的在線質量檢測系統，尤其是多線 陣CCD陣列圖像採集不需要圖像採集卡以及自適應同步控制等高速實時檢測的關鍵技術， 並且檢測系統專用性很強不能靈活應用到其他檢測系統上。因此研究開發基於DSP的並行 線陣CCD陣列在線質量檢測系統具有良好的應用前景和市場需求。經過相應算法的調整，該方法可以方便地應用到其它帶狀材料的質量檢測。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種在不使用圖像採集卡的情況下對運動帶狀材 料的圖像採集及處理等的嵌入式檢測系統，特別適用於動態帶狀材料的質量檢測和在線控 帝IJ。採用多個線陣CCD傳感器和適用於運動帶狀材料的光源組成光學成像系統，利用多 個DSP處理器和上位機以及各種設計電路構成線陣CCD圖像傳感器陣列的控制系統，它 可以在不使用採集卡的情況下把CCD採集的數據傳輸給DSP進行處理，根據運動帶狀材 料速度變化實現對CCD採樣頻率的自動控制，使得採集的圖像不會出現變形。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種運動帶狀材料在線質量檢測系 統，包括由至少二個高解析度線陣CCD組成的並行圖像傳感器組、 一套由至少二個DSP 組成的圖像傳輸和處理的嵌入式系統以及適合運動帶狀纏繞材料特點的照明系統，所述的 高解析度線陣CCD包括高速CCD信號數字復接電路，實現至少二路CCD信號的輸入， 及一個DSP處理至少二個CCD採集的數據，所述的高解析度線陣CCD還包括根據運動帶 狀材料速度對CCD採樣頻率進行控制的自動控制電路；所述的CCD與DSP間有數據通訊 接口電路，採用TMS320C6416在不使用圖像採集卡的情況下實現運動帶狀材料圖像的實 時採集。
所述的CCD採樣採取外同步觸發模式，觸發信號由外同步觸發電路產生，即由安裝
在運動帶狀材料設備的巻軸上編碼器產生的，實現了根據運動帶狀材料速度對CCD採樣 頻率的自動控制。
所述的編碼器輸出信號與相機的輸入信號之間的轉換採用DS90LV048A接收器接收 來自編碼器的外同步觸發信號，同時把TTL信號轉換為LVDS差分信號，編碼器的信號是 在DSP控制下傳輸給CCD相機，編碼器脈衝輸出埠與DSP脈衝輸出引腳之間添加了光 電隔離器和驅動器。
所述的CCD內部的發送器和後端處理器的信號轉換採用DS90CR286晶片將攝像機輸 出的LVDS信號轉換成28位的CMOS/TTL信號，然後再從中分離出圖像數據信號和使能 信號，作為後端數據接收的使能信號和數據輸入信號。
所述的CCD與DSP間採用DS90CR286進行電平轉換。
所述的CCD與DSP間的數據通訊控制電路在嵌入式系統中設計，利用DSP的多通 道緩存串口 MCBSP實現CCD與DSP的通信以及對CCD相機參數的設定。
所述的照明系統採用LED紅光源和白色背景，根據運動帶狀材料不同厚度的要求以及
4光學系統的特點，對閾值進行調整。
本發明通過搭建高速CCD信號數字復接電路、根據運動帶狀材料速度對CCD採樣頻 率的自動控制電路、CCD與DSP間的數據通訊接口電路，在不使用圖像採集卡的情況下 實現了運動帶狀材料圖像的實時採集。採集的圖像經過後端的DSP進行處理後實現視覺的 在線檢測(圖1 3)。
高速CCD信號數字復接電路採用按行對多CCD相機視頻信號進行復接，採用多個緩 存單元對每一路視頻信號進行緩存，然後從緩存中讀出就可以實現視頻數據的復接。主要 解決了如何根據兩路輸入視頻同步信號來確定兩個緩存單元的讀寫和產生輸出視頻同步 信號。由於復接後得到的視頻數據中必須含有視頻同步信號，後端的DSP處理單元根據這 種視頻同步信號就可以將多路視頻信號正確地復接和融合。由於本系統採用的是Camera Link接口的相機輸出信號為4對串行LVDS數據信號，與DSP所能接收的電平信號不匹 配，因此復接系統的輸入是LVDS信號，必須將其轉換為TTL/CMOS信號後，才可對其進 行處理。電路採用國家半導體公司的DS90CR286進行電平轉換。由於運動帶狀材料巻軸 半徑不斷變化，因此切割後的速度也在改變，為了避免CCD採集的圖像由於運動帶狀材 料速度的改變出現拉伸或壓縮變形，設計CCD採樣採取外同步觸發模式，觸發信號由外 同步觸發電路產生，實現了根據運動帶狀材料速度對CCD採樣頻率的自動控制。整個CCD 工作過程如下1)編碼器輸出行同步脈衝；2) DSP響應同步脈衝後，啟動曝光計數器， 輸出高電平給CCD，使CCD進入積分狀態；3)經過符合時序要求的曝光周期後，計數器 輸出外同步觸發信號EXSYNC脈衝到CCD, EXSYNC脈衝變低，終止曝光並觸發行讀出； 4)攝像機輸出LVAL並標誌使數據有效，計數器復位等待下一個編碼器脈衝的到來。
由於CCD默認的參數狀態不能滿足系統的要求，需要對系統的曝光模式、曝光時間 等參數進行設定。對L400K系列的CCD進行參數設置有兩種方法 一是通過PC機利用 CCT+工具設置CCD的參數；二是要用二進位讀/寫命令，通過編程的方法對相機進行參數 設置。本設計在沒有PC機的情況下，在嵌入式系統中設計CCD與DSP間的數據通訊控 制電路以及利用DSP的多通道緩存串口 MCBSP實現CCD與DSP的通信以及對CCD相 機參數的設定。
在檢測中，光源的穩定性和檢測背景的選擇對運動帶狀材料疵點的形態影響較大，採 用LED紅光源和白色背景可以有效地克服由於自然光的變化所帶來的檢測誤差，可根據運 動帶狀材料不同厚度的要求以及光學系統的特點，對閾值進行調整。
為解決系統處理的數據量與檢測的實時性之間的矛盾，DSP對數據經過了"實時處理"和"準實時處理"，實時處理的級別高，而準實時處理的級別低，實時處理的目的只是檢 測圖像是否存在疵點，"準實時處理目的是對可能有疵點的圖像進行進一步的檢測，以便 對疵點的大小、位置、類別進行區分。 有益效果
① 實現了高速線陣CCD陣列並行的圖像採集、處理系統，設計外同步觸發信號的產 生電路實現了線陣CCD陣列的嚴格同步，降低了測量誤差，因此可以採用高速線陣CCD 攝影機跟蹤快速動態帶狀材料的生產過程；
② 在沒有使用圖像採集卡的條件下實現對運動帶狀材料的圖像採集，降低了成本， 為此檢測系統的推廣奠定了基礎。同時在設計CCD與DSP間的數據通訊控制電路時，雖 然可以使用其它的串口通信電路，本系統採用的是DSP的多通道緩存串口MCBSP，降低 了設計的難度。
③ 由於TMS320C6416強大的圖像處理能力，保障了快速圖像傳輸系統的穩定性、連 續性和可靠性，特別適用於加工環境惡劣的場合；為解決系統處理的數據量與檢測的實時 性之間的矛盾，DSP對數據經過了"實時處理"和"準實時處理"。
設計的運動帶狀材料專用光源和檢測背景為其疵點的快速識別奠定了基礎，採用 LED紅光源和白色背景具有很好的穩定性，可以有效地克服由於自然光的變化所帶來的檢 測誤差。同時根據運動帶狀材料不同厚度的要求，對閾值進行調整可以獲得更穩定的檢測 結果；
◎基於DSP的線陣CCD圖像傳感器陣列的運動帶狀材料在線質量檢測系統的實施， 改變了以往人工檢測質量不穩定、易產生疲勞以及客戶投訴頻繁等問題，為產品質量邁上 新臺階打下良好的基礎。


圖1是本發明運動帶狀材料在線疵點檢測系統原理圖； 圖2是本發明的C6416與L401K通信接口圖； 圖3是系統軟體流程示意圖； 圖4是DSP主程序流程框圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明 而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術
6人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限 定的範圍。
如圖1 3所示，本發明涉及基於DSP的運動帶狀材料在線疵點檢測系統的工作原理: 由於在CCD內部的發送器DS90CR285將LVAL， DVAL以及並行圖像視頻信號等28位的 信號轉換成4對串行LVDS數據信號，所以CCD攝像機的輸出信號為Camera Link標準的 差分信號，它和後端處理器的信號不同，兩者之間需要進行信號轉換。本發明使用美國國 家半導體公司的DS90CR286晶片將攝像機輸出的LVDS信號轉換成28位的CMOS/TTL 信號，然後再從中分離出圖像數據信號和使能信號，作為後端數據接收的使能信號和數據 輸入信號。
由於編碼器輸出信號與相機的輸入信號不同，所以需要進行轉換。本發明通過美國 National Semiconductor公司的DS90LV048A接收器接收來自編碼器的外同步觸發信號，同 時把TTL信號轉換為LVDS差分信號。編碼器的信號是在DSP控制下傳輸給CCD相機的， 為了避免編碼器的信號對DSP的影響，實際編碼器脈衝輸出埠與DSP脈衝輸出引腳之 間添加了光電隔離器和驅動器。為了簡化對外部觸發信號的控制，外同步觸發信號Exsync 的曝光模式選用Programmable mode (可編程控制模式)，曝光時間從外部觸發信號的上升 沿開始算起，歷時時間由編程實現，線讀出和傳輸在曝光結束開始，外部信號的下降沿是 不相關的。高速CCD信號數字轉換電路與外觸發信號電路的設計，實現基於嵌入式系統 的圖像採集以及根據運動帶狀材料速度對CCD採樣頻率的自動控制，可以避免由於運動 帶狀材料的運動使採集的圖像出現拉伸或壓縮的變形。同時，高速CCD信號數字轉換電 路可不需使用圖像採集卡，既降低了系統成本，又提高了系統的檢測精度。
由於CCD默認的參數狀態不能滿足系統的要求，需要對系統的曝光模式、曝光時間 等參數進行設定。本系統採用二進位讀/寫命令，通過編程的方法對相機進行參數設置，要 對CCD的參數進行設置就要解決相機與DSP間的通信問題。這是通過兩路LVDS串行通 信線實現的，它們分別是從控制系統到相機的信號SerTC，用來發送設置命令；從相機 到控制系統的信號SerTFG，用於相機接收命令後的信息反饋。該通信採用異步串行通信協 議，每個數據為10bit，包括一個開始位"0"和一個停止位"1"，但沒有奇偶位和握手位，波 特率默認為9.6 kbit。 TMS320C6416具有MCBSP，利用此串口實現DSP與相機之間的數 據通信。
如圖4所示為DSP主程序流程框圖，DSP對數據經過了"實時處理"和"準實時處理"， 在"實時處理"時，系統對CCD輸出緩存中的圖像數據進行了中值濾波預處理，消除圖像中的噪聲，保留有效數據；然後進行加權平均法圖像融合，目的是把多CCD採集的圖像融 合為一幅完整的圖像數據便於後續的疵點檢測；最後採用灰度匹配法對圖像進行粗檢測， 目的是快速判斷該幀圖像是否有疵點。若有疵點，則將此幀圖像存入緩衝區imDetect，以 便稍後進行進一步檢測得到疵點的位置信息和類別；如果沒有疵點，則不保存此幀圖像。 放在緩衝區的圖像需要進一步處理，以便對疵點的大小、位置、類別進行區分，這些通過 "細檢測"和"疵點識別"兩個步驟來完成。
權利要求
1. 一種運動帶狀材料在線質量檢測系統，包括由至少二個高解析度線陣CCD組成的並行圖像傳感器組、一套由至少二個DSP組成的圖像傳輸和處理的嵌入式系統以及適合運動帶狀纏繞材料特點的照明系統，其特徵在於所述的高解析度線陣CCD包括高速CCD信號數字復接電路，實現至少二路CCD信號的輸入，及一個DSP處理至少二個CCD採集的數據，所述的高解析度線陣CCD還包括根據運動帶狀材料速度對CCD採樣頻率進行控制的自動控制電路；所述的CCD與DSP間有數據通訊接口電路，採用TMS320C6416在不使用圖像採集卡的情況下實現運動帶狀材料圖像的實時採集。
2. 根據權利要求l所述的一種運動帶狀材料在線質量檢測系統，其特徵在於:所述的CCD 採樣採取外同步觸發模式，觸發信號由外同步觸發電路產生，即由安裝在運動帶狀材 料設備的巻軸上編碼器產生的，實現了根據運動帶狀材料速度對CCD採樣頻率的自動 控制。
3. 根據權利要求2所述的一種運動帶狀材料在線質量檢測系統，其特徵在於所述的編 碼器輸出信號與相機的輸入信號之間的轉換採用DS90LV048A接收器接收來自編碼器 的外同步觸發信號，同時把TTL信號轉換為LVDS差分信號，編碼器的信號是在DSP 控制下傳輸給CCD相機，編碼器脈衝輸出埠與DSP脈衝輸出引腳之間添加了光電 隔離器和驅動器。
4. 根據權利要求l所述的一種運動帶狀材料在線質量檢測系統，其特徵在於所述的CCD 內部的發送器和後端處理器的信號轉換採用DS90CR286晶片將攝像機輸出的LVDS 信號轉換成28位的CMOS/TTL信號，然後再從中分離出圖像數據信號和使能信號， 作為後端數據接收的使能信號和數據輸入信號。
5. 根據權利要求1所述的一種運動帶狀材料在線質量檢測系統，其特徵在於:所述的CCD 與DSP間採用DS90CR286進行電平轉換。
6. 根據權利要求l所述的一種運動帶狀材料在線質量檢測系統，其特徵在於:所述的CCD 與DSP間的數據通訊控制電路在嵌入式系統中設計，利用DSP的多通道緩存串口 MCBSP實現CCD與DSP的通信以及對CCD相機參數的設定。
7. 根據權利要求1所述的一種運動帶狀材料在線質量檢測系統，其特徵在於所述的照 明系統釆用LED紅光源和白色背景，根據運動帶狀材料不同厚度的要求以及光學系統 的特點，對閾值進行調整。
全文摘要
本發明涉及一種運動帶狀材料在線質量檢測系統，包括由至少二個高解析度線陣CCD組成的並行圖像傳感器組、一套由至少二個DSP組成的嵌入式區域網構成的圖像傳輸和處理系統以及適合運動帶狀材料特點的照明系統，本發明首次通過搭建高速CCD信號數字復接電路、根據運動帶狀材料速度對CCD採樣頻率的自動控制電路、CCD與DSP間的數據通訊接口電路，在不使用圖像採集卡的情況下實現運動帶狀材料圖像的實時採集，同時把TMS320C6416強大的圖像處理功能用於運動帶狀材料質量檢測的圖像處理中，使得採集的圖像不會出現變形。此系統特別適用於塑料薄膜、織物、紙張等運動帶狀材料的在線質量檢測。
文檔編號G01N21/88GK101482518SQ200910045120
公開日2009年7月15日 申請日期2009年1月9日 優先權日2009年1月9日
發明者丁永生, 任立紅, 影 楊, 郝礦榮 申請人:東華大學