線陣圖像傳感器TCD1208AP在桑蠶選種中的應(yīng)用

徐龍紅，杜 軍，張紅印

（第二炮兵士官學(xué)校 山東 青州 262500）

企業(yè)化桑蠶選種育種目前仍由人工逐粒進(jìn)行辨別分檢完成，工作繁瑣，效率低下。隨著人力資源成本的提升，已經(jīng)成為企業(yè)生產(chǎn)過程的瓶頸，制約著企業(yè)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大。根據(jù)企業(yè)需求，利用高速線陣圖像傳感器TCD1208AP（高速線陣圖像傳感器TCD1208AP簡稱CCD）和單片機(jī)STC12C5412[1]（單片機(jī) STC12C5412簡稱 MCU），結(jié)合桑蠶選種要求和其體型特征，開發(fā)了基于CCD的桑蠶選種識別系統(tǒng)，應(yīng)用于生產(chǎn)線后，收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 圖像識別系統(tǒng)基本工作原理

圖像識別系統(tǒng)由CCD傳感器、光學(xué)鏡頭、三色獨(dú)立控制照明燈、通信電路、電磁彈剔機(jī)構(gòu)、LCD顯示電路及MCU、電源電路等組成，如圖1所示。

光學(xué)鏡頭與CCD構(gòu)成圖像采集電路，其線陣與輸送帶平行。三色獨(dú)立控制照明燈為CCD提供所需的恒定一致的光源，其紅、綠、藍(lán)三色可分別控制。LCD用于顯示工作狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置，STC12C5412AD是系統(tǒng)的核心，不但模擬CCD工作所需的驅(qū)動脈沖，還要對成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，按設(shè)定數(shù)據(jù)控制三色照明燈工作，并通過異步串行半雙工RS-485通信線路控制傳送帶的速度與系統(tǒng)的處理能力同步[2]。電磁彈剔機(jī)構(gòu)將圖像識別系統(tǒng)認(rèn)為不合格品剔出傳送帶。

由專用機(jī)構(gòu)將預(yù)留蠶種的繭輸入到傳送帶上，通過振動，使蠶繭的軸向與傳送的運(yùn)動方向一致，排成一列，送至圖像識別系統(tǒng)。

被檢繭通過鏡頭在CCD上成像，MCU按設(shè)定數(shù)據(jù)控制三色照明燈工作并啟動CCD拍攝，經(jīng)CCD內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器對各個感光像素元進(jìn)行數(shù)字化，并送至相應(yīng)存儲器，供單片機(jī)讀取。占用像素元的數(shù)量與體形大小成正比，像素的數(shù)值與亮度成反比。一屏圖像2 160像素元，常被三只繭的成像所占用。MCU讀出繭在CCD的成像數(shù)據(jù)，選擇其中一個完整的，分析所占像素和亮度值，得出體形數(shù)據(jù)和體色數(shù)據(jù)，并與設(shè)定的數(shù)據(jù)相比較，判定是否合格，不合格者則剔出傳送帶[3]。

優(yōu)良的繭體型大、圓潤飽滿、色澤明亮潔白，當(dāng)繭內(nèi)蛹有病或已死掉時，外觀色澤暗淡，有時帶有色斑。首先將優(yōu)質(zhì)繭與劣質(zhì)繭放在CCD進(jìn)行測量。MCU不斷調(diào)整三色照明燈各色的比例，并讀出相應(yīng)的成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對，經(jīng)LCD（am19264－2）模擬成像。當(dāng)優(yōu)質(zhì)和劣質(zhì)繭的成像亮度值差最大時，優(yōu)質(zhì)和劣質(zhì)繭的成像亮度值的中值以及所占用的像素數(shù)即是判斷繭合格與否的依據(jù)，三色照明燈的值即為設(shè)定值。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 器件選擇

CCD傳感器采用日本東芝生產(chǎn)的高靈敏度、暗電流小、高速的TCD1208AP[4]。TCD1208AP使用+5 V單電源，2 160像素元，長寬14 μm×14 μm，輸入信號有二相CCD時鐘脈沖，一路轉(zhuǎn)移脈沖和一路復(fù)位脈沖，輸出有信號輸出和補(bǔ)償輸出，一行輸出2 212像元組成。圖2為TCD1208AP驅(qū)動時序。

單片機(jī)選用高性能28PDIP封裝的STC12C5412AD。STC12C5412AD是新型的采用1T流水線/精簡指令集結(jié)構(gòu)，兼容MS51系列單片機(jī)，工作電壓3.4～5.5 V，工作頻率高達(dá)35 MHz，相當(dāng)于普通MS51系列單片機(jī)420 MHz，12 K的用戶應(yīng)用程序空間和512字節(jié)在片內(nèi)RAM，并支持ISP和IAP編程，特別是內(nèi)部集成了E2PROM、MAX810專用復(fù)位電路、可編程看門狗電路、四路8 bit PWM輸出，8路10 bit A/D高速轉(zhuǎn)換電路等實(shí)用特色電路，有效提高了新產(chǎn)品的可靠性。

顯示屏選用192×64點(diǎn)陣的蘭背光LCD AM19264。因CCD像元較多，LCD點(diǎn)陣少，通過多屏顯示一幀完成的圖像。該功能僅用于系統(tǒng)調(diào)試。

2.2 電路接口設(shè)計(jì)

圖3為TCD1208AP驅(qū)動電路。SH為CCD光電荷轉(zhuǎn)移脈沖，其下跳沿即每幅圖像輸出的起始位[5]。CLK1、CLK2為兩相交互脈沖電壓（相位差180°），它們將轉(zhuǎn)換到移位寄存器上光電荷向輸出極傳送。RS為復(fù)位脈沖，清除移位寄存器輸出電荷后所余電荷，為下一次輸出作準(zhǔn)備。OS為CCD的信號輸出，DOS為CCD的補(bǔ)償輸出。

圖4為電磁彈剔控制電路。主要功能是將經(jīng)圖像識別系統(tǒng)確定不符合要求的繭彈出傳送帶[6]。

圖 5 為紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三色照明電路中的紅燈一路，由PWM_R驅(qū)動。綠、藍(lán)由PWM_G、PWM_B驅(qū)動，電路與紅燈控制線路一樣。通過改變脈沖寬度實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)整。通過改變?nèi)珶舨煌炼冉M合，實(shí)現(xiàn)特定的光色輸出，使CCD靈敏度最高，提高系統(tǒng)識別的準(zhǔn)確率。

圖6為單片機(jī)的接口驅(qū)動電路。LCD連接點(diǎn)陣液晶顯示屏AM19264，用于設(shè)置控制參數(shù)的顯示和調(diào)試時模擬顯示成像結(jié)果。P1.0、P1.1、P1.2工作在A/D轉(zhuǎn)換模式。按鍵采用分壓式結(jié)構(gòu)，按下其中不同的鍵，在KEY端表現(xiàn)為不同的電壓，由單片機(jī)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換電路的P1.0數(shù)字化后進(jìn)行按鍵功能識別。按鍵用于工作參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)調(diào)試。P1.1和P1.2分別對CCD傳感器輸出信號和補(bǔ)償信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，處理后形成模擬圖像，通過LCD模擬顯示，并根據(jù)設(shè)置條件驅(qū)動相應(yīng)電路工作?？烧{(diào)電位器P2用于調(diào)整LCD的對比度。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制程序采用Kile C51 V7.0編寫，全部模塊化結(jié)構(gòu)，嵌入了看門狗、軟件濾波等抗干擾措施。系統(tǒng)軟件由主程序、初始化程序、CCD驅(qū)動程序、LCD驅(qū)動程序、體形分析、體色分析和按鍵設(shè)置程序等幾個模塊組成。主程序流程圖如圖7所示。

體形分析、體色分析程序是系統(tǒng)的關(guān)鍵。要完成繭體形分析，需要CCD對縱向圖像采樣7次以上，采樣次數(shù)代表它的直徑，縱向占用像素最多一幀則代表繭的最大長度。這一參數(shù)與桑蠶選種生產(chǎn)線傳送帶運(yùn)行速度和MCU的性能密切相關(guān)。體形分析程序則與光的泄漏、三色照明燈的衰減、繭的個體差異、生產(chǎn)線傳送帶運(yùn)行速度等相關(guān)。通過在實(shí)踐中不斷修改程序，完善功能，協(xié)調(diào)各項(xiàng)參數(shù)，最終達(dá)到基本目標(biāo)。

4 結(jié)束語

通過將微處理器與線陣圖像傳感器的有機(jī)結(jié)合，對軟件系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)了桑蠶選種的自動識別，提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，成本低廉。在22只/秒速度時，識別準(zhǔn)確率高達(dá)99%，在25只/秒速度時識別準(zhǔn)確率降為92%。但系統(tǒng)還存在以下兩問題：1）初始化數(shù)據(jù)有很多人為和環(huán)境因素，難以共享，不易推廣；2）識別速度和準(zhǔn)確性還待有識之士，協(xié)助共同解決。

[1]宏晶科技.STC12C5410系列單片機(jī)用戶手冊[EB/0L].（2008-08-15）[2009-05-05].http://www.mcu-memory.com.

[2]杜軍.提高嵌入式系統(tǒng)可靠性的探討與實(shí)踐[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（4）:15-16.DU Jun.Discuss and practice of reliability improvement of embedded system[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2006（4）:15-16.

[3]羅軍，萬文通，盧嘉江.光電測量二維微角位移的新方法與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)量技術(shù)，2008（9）:12-15.LUO Jun，WAN Wen-tong，LU Jia-jiang.Research and realization of a new opto-electronic measurement method for two dimensions tiny angular displacement[J].Measurement Technique， 2008（9）:12-15.

[4]TOSHIBA.TCD1208AP[EB/0L].（1997-04-07）[2009-05-05].http://www.look-ic.com/stock_TCD/TCD1208AP.html.

[5]林仁，王宏崎，洪文.基于本地圖像塊模型的人造目標(biāo)提取方法[J].電子測量技術(shù)，2008（9）:117-120.LIN Yin ，WANG Hong-qi，HONG Wen.Extraction method of man made objects by local patches model[J].Electronic Measurement Technology，2008（9）:117-120.

[6]雷利娟，何曉壘.基于ADN2817的光電信號速率自動識別系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2008（5）:50-52.LEI Li-juan，HE Xiao-lei.Design of and optical rate auto recognining system based on ADN2817 [J].International Electronic Elements， 2008（5）:50-52.