PET瓶封蓋質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

鄭海成，謝 云

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州510006)

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一種環(huán)保塑膠，目前市場(chǎng)上幾乎所有的飲料瓶都是用PET切片注塑加工成型的。在PET飲料瓶生產(chǎn)過程中吹瓶和灌裝是影響質(zhì)量的關(guān)鍵工序。而在灌裝工序，高速旋蓋子系統(tǒng)中PET瓶會(huì)出現(xiàn)歪蓋、高蓋甚至無蓋等情況[1]，在這些情況中，輕微的會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品外觀的不美觀，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致飲料內(nèi)部質(zhì)量發(fā)生變化，特別是茶飲料和乳類飲料。為了減少不合格品的數(shù)量，需要增加檢測(cè)工序。而傳統(tǒng)的PET瓶封蓋質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)都是基于PC機(jī)實(shí)現(xiàn)的，整套設(shè)備往往體積相當(dāng)龐大，而且檢測(cè)速度有限[2]，并且由于PC機(jī)本身的缺陷，在較為惡劣的生產(chǎn)線環(huán)境中無法正常工作。

對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一套完整的基于DSP+ARM的PET瓶封蓋缺陷高速檢測(cè)系統(tǒng)。通過DSP DM642完成對(duì)圖像傳感器MT9P031（500萬像素）進(jìn)行RAW（原始圖像編碼數(shù)據(jù)）原始數(shù)據(jù)流采集，并對(duì)采集的PET瓶的封蓋缺陷進(jìn)行檢測(cè)和處理。此外，通過基于ARM11的嵌入式系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，主要包括對(duì)電機(jī)傳動(dòng)的控制、傳感器中斷信號(hào)的接收、控制觸發(fā)DSP進(jìn)行圖像采集以及基于觸摸屏的人際互動(dòng)監(jiān)控界面的開發(fā)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

PET瓶封蓋缺陷檢測(cè)系統(tǒng)主要包括以下5個(gè)部分：圖像采集模塊、圖像核心處理模塊、圖像實(shí)時(shí)顯示模塊、控制觸發(fā)與傳動(dòng)模塊和監(jiān)控模塊，如圖1所示。由基于Linux的ARM11 S3C6410處理器控制整個(gè)傳送帶的正常運(yùn)作。由于本系統(tǒng)中PET瓶身的透明塑料特性，所以選取不受光線干擾的超聲波傳感器作為本系統(tǒng)的觸發(fā)傳感器[3]。在超聲波傳感器感應(yīng)到PET瓶身時(shí)，觸發(fā)DSP DM642通過I2C總線控制圖像傳感器MT9P031進(jìn)行圖像的快速捕捉，圖像數(shù)據(jù)以10 bit并行數(shù)據(jù)輸入到DM642中，由DSP對(duì)圖像進(jìn)行濾波、閾值化、水平投影、邊緣檢測(cè)以及PET瓶身定位后，以遍歷比較的方式完成PET瓶封蓋的缺陷檢測(cè)。然后把處理后的數(shù)據(jù)同樣以10 bit的圖像數(shù)據(jù)輸出到硬件編碼芯片，經(jīng)過CVBS轉(zhuǎn)VGA轉(zhuǎn)接器，最后完成圖像的實(shí)時(shí)顯示。此外，所有的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都將由ARM11通過無線WIFI模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程主機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和存檔。

2 圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖像采集部分由DM642的視頻口在PIXCLK時(shí)鐘控制下采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以D[9:0]10 bit形式發(fā)送到DSP，而DSP通過I2C總線接口控制圖像傳感器的工作模式和采集模式等；在DM642處理完圖像后，通過VP0D[9:0]10位數(shù)據(jù)輸出方式輸出到視頻編碼芯片SAA7121，DSP通過 I2C總線設(shè)置 SAA7121的相關(guān)寄存器，并控制數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。視頻數(shù)據(jù)通過SAA7121編碼后，輸出的視頻格式為PAL制或者NTSC制的視頻信號(hào)(即CVBS視頻信號(hào))；最后通過CVBS轉(zhuǎn) VGA的轉(zhuǎn)接模塊，直接輸出到顯示屏上顯示。圖像采集系統(tǒng)的硬件原理圖如圖2所示。

2.2 圖像采集與處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分析

基于DSP DM642的圖像采集與處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為如下兩個(gè)部分：圖像采集的流程分析和PET瓶封蓋缺陷檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 圖像采集的流程分析

首先把DM642設(shè)置為RAW數(shù)據(jù)接收模式，并把接收數(shù)據(jù)寬度設(shè)置為10 bit。然后通過I2C總線選通MT9P031的硬件地址和寄存器地址，發(fā)送相應(yīng)指令設(shè)置MT9P031為單幀觸發(fā)模式，把圖像格式設(shè)置為SXGA格式(即1 280×1 024)，并設(shè)置好水平消隱和垂直消隱的寬度。在完成以上設(shè)置后，DM642通過TRIGGER引腳控制傳感器捕捉

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖一幀圖像并傳送到DM642內(nèi)部的FIFO緩存器中進(jìn)行相應(yīng)的圖像識(shí)別和檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)。圖像采集流程如圖3所示。

2.2.2 PET瓶封蓋缺陷檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)

(1)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法是多瓶身同時(shí)檢測(cè)，而對(duì)PET瓶身的區(qū)域定位，是通過掃描Y軸方向的像素點(diǎn)之和是否為非零來判斷每個(gè)瓶身的真實(shí)位置，通過對(duì)第一個(gè)非零值的gi(ni)到第一個(gè)零值的gi(ni)即可記錄一個(gè)PET瓶的大概區(qū)域位置，標(biāo)記為x1、x2。用同樣的方法計(jì)算出第二個(gè)PET瓶所在的區(qū)域?yàn)閤3、x4之間。

在經(jīng)過圖像預(yù)處理后，需確定瓶身與瓶頸的分割線作為后續(xù)瓶蓋定位的絕對(duì)坐標(biāo)。通過圖像在Y軸上的投影分析，可以清晰地分辨出瓶身與瓶頸的分割線在Y軸的0坐標(biāo)往正方向開始掃描到第一個(gè)灰度值波峰位置，并且經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證，波峰的確定位置誤差在5個(gè)像素點(diǎn)之內(nèi) (本系統(tǒng)所采用的圖像大小為1 280×1 024，即誤差在5/1 024=0.48%以內(nèi))。

(2)本系統(tǒng)采用在基于預(yù)處理之后，進(jìn)行垂直方向自上而下的掃描方法，標(biāo)識(shí)掃描到的第一個(gè)非零灰度值像素點(diǎn)，并把該x坐標(biāo)上的其他y點(diǎn)全部置為零灰度值，從而完成垂直方向外輪廓的快速提取[4]。

(3)由以上兩步得到瓶頸與瓶身的分割線以及瓶蓋頂部邊緣，在此基礎(chǔ)上識(shí)別出兩個(gè)瓶身所在的區(qū)域?yàn)閇x1，x2]和[x3，x4]，然后通過計(jì)算分割線與瓶蓋頂部邊緣的距離與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，若誤差超過5%，則認(rèn)為不合格，即可剔除。PET瓶身封蓋缺陷檢測(cè)算法的總體流程如圖4所示。

3 基于ARM11的傳動(dòng)與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本平臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)所采用的主處理器為ARM11 S3C6410。由于考慮到瓶身透明和體積問題，所以在傳感器選型上選用超聲波傳感器作為瓶身的探測(cè)傳感器。超聲波傳感器輸出的電壓值范圍為0.2 V～4.5 V，然后通過以LM358運(yùn)算放大器搭建的比較電路進(jìn)行電壓的閾值分割，使觸發(fā)信號(hào)邊緣特性更佳。通過比較器后，超聲波傳感器的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過74LVC4245電平轉(zhuǎn)換信號(hào)，信號(hào)直接輸入到ARM11的外中斷口。ARM11在接收到超聲波傳感器的外中斷信號(hào)后，通過端口將信號(hào)輸出到DSP DM642的外中斷口，觸發(fā)DM642完成圖像捕捉功能。與此同時(shí)，通過超聲波的中斷觸發(fā)信號(hào)，ARM11通過端口輸出一個(gè)3.3 V的電平信號(hào)，控制24 V模塊后，輸出24 V的電壓控制信號(hào)，直接控制繼電器的通斷，從而完成控制電機(jī)的傳動(dòng)工作。整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的硬件框圖如圖5所示。

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括圖像的VGA顯示和觸摸屏驅(qū)動(dòng)部分。首先通過ARM11 S3C6410的專用LCD控制器接口輸出24 bit液晶屏數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過LCD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而可以通過編程控制LCD控制器輸出來完成VGA顯示。此外，通過ARM11的四線電阻屏控制引腳 TSXM、TSYM、TSXP、TSYP來控制一個(gè) 17英寸電阻觸摸屏，通過編程可以控制四線電阻屏的輸出-X、+X、-Y、+Y坐標(biāo)來完成觸摸屏的硬件驅(qū)動(dòng)。

3.2 軟件多線程設(shè)計(jì)

由于本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)需要進(jìn)行多任務(wù)的同時(shí)調(diào)度，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)基于Linux系統(tǒng)的多線程管理機(jī)制。其中從線程的作用不同可分為：控制電機(jī)傳動(dòng)線程、傳感器中斷處理線程、監(jiān)控界面設(shè)置管理線程以及無線通信線程，四者相對(duì)獨(dú)立，但又在必要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。各個(gè)線程的相互關(guān)系如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

基于DSP DM642讀取MT9P031圖像傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)測(cè)試后采集的速度可達(dá)20幀/s，采集的圖像精度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，最小精度為76 pix/inch。

此外，本系統(tǒng)采用DSP+ARM的硬件平臺(tái)取代傳統(tǒng)的PC機(jī)平臺(tái)，為工業(yè)在線檢測(cè)帶來了更可行、更科學(xué)的解決方案。系統(tǒng)具有體積小、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)和高速處理等特點(diǎn)，是普通PC機(jī)無法比擬的，具有廣闊的發(fā)展空間。

[1]Ma Huimin，Su Guangda，Wang Junyan，et al.A glass bottle defect detection system without touching[C].Proceedings of the First International Conference on Machine Learning and Cybemetics，Vol2：Beijing，4-5 November，2011：628-632.

[2]嚴(yán)華宇.基于FPGA的玻璃缺陷圖像采集預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[3]徐赤，王志平，凌永祥，等.基于智能視覺系統(tǒng)的飲料瓶缺陷檢測(cè)技術(shù)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2011(5)：163-167.

[4]鄒振興.基于FPGA的PET瓶缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2009.