基于ARM與DSP的PET瓶蓋缺陷在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃偉基，謝云

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

近年來(lái)，隨著我國(guó)PET瓶吹塑生產(chǎn)工藝流程的技術(shù)提升以及瓶級(jí)PET樹(shù)脂質(zhì)量的提高，塑料瓶蓋及瓶身的生產(chǎn)量獲得了飛速的發(fā)展，生產(chǎn)總量已在世界前列。但是，瓶蓋生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展并沒(méi)有帶來(lái)瓶蓋檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展。中國(guó)市場(chǎng)急需價(jià)格合理、性能可靠、適合我國(guó)國(guó)情的國(guó)產(chǎn)瓶蓋在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)［1］。

瓶蓋的缺陷檢測(cè)主要是檢測(cè)外蓋 (即瓶蓋的外圓邊緣)以及密封圈 (即瓶蓋的內(nèi)圓)是否有缺陷、成型是否飽滿(mǎn)、結(jié)構(gòu)是否完整、有沒(méi)無(wú)明顯收縮、瓶?jī)?nèi)有無(wú)污點(diǎn)等。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一套較為完善的瓶蓋檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)主要靠人工，但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的瓶蓋生產(chǎn)速度可以達(dá)到每秒十個(gè)以上，這種速度是人工檢測(cè)根本無(wú)法適應(yīng)的。

針對(duì)這一狀況，作者提出了基于ARM與DSP的瓶蓋缺陷在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有組裝方便、高實(shí)時(shí)性、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)在線(xiàn)檢測(cè)的要求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

該檢測(cè)系統(tǒng)主要由ARM處理器負(fù)責(zé)的主控制系統(tǒng)及由DSP處理器負(fù)責(zé)的圖像采集系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

DSP處理器主要用于圖像數(shù)據(jù)處理工作。它接收自圖像采集卡傳來(lái)的圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DSP處理后最終以AV信號(hào)輸出，并在顯示器中顯示圖像。

ARM處理器主要負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。通過(guò)操作觸摸屏可查看、設(shè)置和處理系統(tǒng)參數(shù)及各種數(shù)據(jù)，也可以控制電機(jī)加減速與正反轉(zhuǎn)。ARM最終會(huì)把所有歷史數(shù)據(jù)存進(jìn)硬盤(pán)中以待日后查閱。無(wú)線(xiàn)WIFI用于連接網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 基于DSP的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集與處理模塊

由DSP與圖像采集卡組成的圖像采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)采集的工作。采集卡MT9P031是一款高性能幀曝光CMOS圖像采集卡，具有500萬(wàn)像素，它支持多種圖像格式。圖像采集卡芯片數(shù)據(jù)線(xiàn)為10位，它是基于I2C協(xié)議傳送數(shù)據(jù)的。當(dāng)DM642由I2C發(fā)出地址和控制信號(hào)且MT9P031的行數(shù)據(jù)信號(hào)LINE _VALID有效時(shí)，DM642的視頻口在PLXCLK時(shí)鐘控制下采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)束位置由VCXSTOP1寄存器控制。

在數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程中，圖像采集卡輸出的數(shù)據(jù)格式類(lèi)型是Bayer，數(shù)據(jù)進(jìn)入DSP后，DSP把它轉(zhuǎn)換為CVBS信號(hào)輸出，CVBS信號(hào)再經(jīng)過(guò)AV轉(zhuǎn)VGA模塊轉(zhuǎn)為VGA信號(hào)后輸出到屏幕中。

圖2 圖像采集與處理系統(tǒng)

2.2 相機(jī)及光源的安裝

在拍攝瓶蓋圖片時(shí)十分講究，所拍得的照片質(zhì)量如何，影響到后續(xù)算法識(shí)別的準(zhǔn)確率。廣角鏡頭的可調(diào)距離和可視角度，光源的顏色、亮度以及離瓶蓋的距離，瓶蓋的背景顏色等都要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)校準(zhǔn)，使拍出的圖片達(dá)到最佳效果，這樣才能獲得較好的瓶蓋內(nèi)外圓輪廓［2］。

以檢測(cè)白色礦泉水PET瓶蓋為例，使用5 mm可調(diào)焦、65.5°視場(chǎng)角廣角鏡頭，采用瓶蓋上方5 cm處的白色同軸光源，瓶蓋底部用深黑色背景，實(shí)驗(yàn)所拍得的照片質(zhì)量較佳。

2.3 PET瓶蓋缺陷檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

DSP對(duì)圖像采集卡拍得的圖片進(jìn)行分析，找出缺陷并通知ARM剔除不合格產(chǎn)品。該系統(tǒng)主要任務(wù)是檢測(cè)瓶蓋的內(nèi)外圓邊緣缺陷和瓶蓋內(nèi)是否有污點(diǎn)。一幅圖片拍攝完后，數(shù)據(jù)會(huì)在DSP中進(jìn)行如下處理:

(1)圖像預(yù)處理。主要包括3×3中值濾波［3］、最大類(lèi)間方差閾值分割。

(2)投影。該算法實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單求圓心的方法，把閥值分割后的圖像分別投影到x和y軸，然后求出各自投影長(zhǎng)度的中心坐標(biāo)，此即是圓心坐標(biāo)。若投影到x、y坐標(biāo)的陰影長(zhǎng)度相差超過(guò)某個(gè)理論值，就可斷定該瓶蓋有缺陷，就不用繼續(xù)進(jìn)行下一步算法。只有當(dāng)投影到x和y坐標(biāo)上的陰影長(zhǎng)度基本相等才繼續(xù)下一步處理。

(3)邊緣提?。?］。求出圓心后再對(duì)閥值分割的圖像進(jìn)行邊緣提取，該算法采用Soble算子。

(4)缺陷檢測(cè)［5］。對(duì)于內(nèi)外圓缺陷檢測(cè)，求得圓心和提取邊緣后，即可通過(guò)檢測(cè)圓每個(gè)區(qū)域的面積是否大致相等來(lái)檢測(cè)圓是否有缺陷。從圓心出發(fā)，將圓環(huán)分成若干等份，計(jì)算每個(gè)區(qū)域的面積。若相差不大，則沒(méi)有缺陷;若有明顯的差別，則說(shuō)明該瓶口有缺陷。對(duì)于污點(diǎn)檢測(cè)，若某黑像素區(qū)域?yàn)槎噙B通點(diǎn)，并且該區(qū)域到圓心的距離小于半徑，則斷定內(nèi)蓋內(nèi)有污點(diǎn)。算法流程圖如圖3所示。

圖3 缺陷檢測(cè)算法流程圖

3 基于ARM的主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 ARM與各外圍模塊組成的控制系統(tǒng)

ARM11與光纖傳感器、控制電機(jī)電路模塊、觸摸屏、硬盤(pán)、WIFI模塊以及產(chǎn)品剔除裝置等組成的控制系統(tǒng)如圖4所示。光纖傳感器用于檢測(cè)瓶蓋; ARM11輸出腳GPB1輸出3.3 V給運(yùn)放耦合電路，從而經(jīng)過(guò)繼電器可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與加減速，耦合電路保證電路的兩旁互相不受干擾;產(chǎn)品的剔除裝置由GPB0引腳控制;觸摸屏、無(wú)線(xiàn)WIFI、移動(dòng)硬盤(pán)均由自己的獨(dú)立接口連接到ARM芯片上，用于無(wú)線(xiàn)監(jiān)控、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)等功能。

圖4 ARM處理器與外圍模塊組成的控制系統(tǒng)示意圖

3.2 基于ARM的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

整套設(shè)備均由 Linux系統(tǒng)控制，所要編寫(xiě)的Linux硬件驅(qū)動(dòng)程序包括:無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序、IO口驅(qū)動(dòng)程序、I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程、LCD設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等［6］、USB Device驅(qū)動(dòng)程序［7］。整個(gè)系統(tǒng)從底層到上層分別是啟動(dòng)代碼 U-boot、Linux內(nèi)核 2.6.3.33、yaffs根文件系統(tǒng)、圖形界面QT-4.7。

整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

PET瓶蓋缺陷檢測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互界面主要由用戶(hù)管理功能模塊、數(shù)據(jù)顯示功能模塊、數(shù)據(jù)管理功能模塊、網(wǎng)絡(luò)管理等功能模塊組成，各功能模塊描述如下:

(1)用戶(hù)管理模塊。用戶(hù)管理界面是系統(tǒng)運(yùn)行后用戶(hù)所看到的第一個(gè)界面，即登陸界面。用戶(hù)只有憑密碼登陸后才可以進(jìn)入主界面，非用戶(hù)只能瀏覽。這可以保證系統(tǒng)參數(shù)不能被其他人破壞。用戶(hù)登錄后可重設(shè)密碼或進(jìn)行其他操作。

(2)數(shù)據(jù)顯示模塊。數(shù)據(jù)顯示界面顯示瓶蓋圖片以及各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)管理模塊。數(shù)據(jù)管理界面可用來(lái)根據(jù)需要查看以往檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息，并顯示各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目中合格品、不合格品的數(shù)目以及所占百分比。

(4)幫助模塊。幫助界面用于顯示主界面各按鈕的用途、操作方法和版權(quán)信息等。

(5)網(wǎng)絡(luò)管理模塊。網(wǎng)絡(luò)界面提供一些無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

圖6為兩幅操作界面例舉。

圖6 操作界面例舉

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)每幀圖像處理時(shí)間小于80 ms;數(shù)據(jù)精度大于76像素/英寸;可檢測(cè)出0.1 mm的缺陷;系統(tǒng)處理瓶蓋速度達(dá)每小時(shí)36 000個(gè)以上;準(zhǔn)確率達(dá)98%，較好地滿(mǎn)足了生產(chǎn)線(xiàn)的要求。

該檢測(cè)系統(tǒng)目的是檢測(cè)瓶蓋內(nèi)外圓邊緣是否有缺陷、瓶蓋密封圈內(nèi)是否有污點(diǎn)。圖7和圖8分別列出了這兩種缺陷的檢測(cè)情況。

圖7 檢測(cè)出瓶蓋邊緣有缺陷的效果圖

圖8 檢測(cè)出瓶蓋密封圈內(nèi)有污點(diǎn)的效果圖

5 結(jié)論

提出一個(gè)基于DSP的瓶蓋缺陷檢測(cè)算法，該算法能快速地識(shí)別內(nèi)外圓邊緣缺陷和密封圈內(nèi)污點(diǎn)，能用于生產(chǎn)線(xiàn)上;基于嵌入式雙CPU系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、觸摸控制、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等工業(yè)控制功能;該系統(tǒng)高效實(shí)用且安裝方便，所用到的軟硬件技術(shù)若加以改進(jìn)可適合各種制造業(yè)的在線(xiàn)缺陷檢測(cè)，技術(shù)推廣前景廣泛。

【1】機(jī)器視覺(jué)［OL］.http://it.yn.cninfo.net.

【2】康耐視中國(guó).藥片顆粒的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化博覽，2010(S1):90.

【3】KHANFIR S，JEMNI M.Reconfigurable Hardware Implementations for Lifting-based DWT Image Processing Algorithms［C］//IEEE The 2008 International Conference on Embedded Software and Systems，2008.

【4】韓梅.藥用管制瓶的缺陷及尺寸檢測(cè)的算法研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

【5】王成群.基于機(jī)器視覺(jué)的音膜同心度測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2008.

【6】WANG Ya-Jun.Research and Realization of the Mechanism of Embedded Linux Kernel Semaphore［C］//2010 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering(ICACTE)，2010.

【7】祖蔭柏.基于ARM9的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)［J］.電腦編程技巧與維護(hù)，2010(18):114-115.