棉結主要是棉纖維糾纏而成的纖維結，其形成原因分三大類：機械生產(chǎn)產(chǎn)生的棉結、棉籽造成的棉結、白星或者有色棉結。由于其體積微小極易被紗布所抱合和沾附，在整個紡織印染過程中成為難以除掉的疵點，較高含量的棉結將導致紗線中較高的棉結含量，并最終影響織物外觀[1]，因此在棉花被紡成紗線或織成布前進行棉結檢測是非常重要的。
目前，檢測棉結所采用的方法主要有以下三種：一是靠人工篩選和統(tǒng)計不同類型棉結和異纖雜質點的數(shù)量，勞動強度高；二是使用機械或者離線儀器進行檢測，即將棉條或紗線等取樣到裝置上進行檢測，勞動強度高、實時性差、精確度低；三是配備在梳棉機上的在線檢測棉結裝置，該裝置采用裝有攝像機鑒別梳棉機上棉網(wǎng)中的棉結，精確地檢測并在顯示終端上及時反映出瞬間棉結雜質變化情況，并報告每單位（例如克）生條或紗線中棉結雜質顆粒數(shù)，降低了勞動強度、提高了實時性、安裝位置靈活。
但是現(xiàn)有的在線棉結檢測裝置，尤其采用圖像采集卡和計算機構成的圖像測定裝置 [2-5]，不僅結構上不夠靈活，而且處理能力也受到計算機和計算機軟件環(huán)境的限制，使用這種圖像測定裝置的在線棉結裝置，整體上具有結構復雜、售價高、普及率低等缺點，不利于棉紡廠的成本控制。
1 棉結檢測原理
中的波長。棉纖維的吸收系數(shù)很小，用光照射棉纖維（棉網(wǎng)）時，入射光將部分被纖維表面反射，部分折射透過纖維，部分被纖維吸收，被纖維吸收的那部分又有部分轉換為纖維內能，另一部分以散射的形式散發(fā)出來，但是比例很小，這樣，可以得出如下結論：
1 在棉網(wǎng)檢測中，棉纖維在光源照射下主要以反射光為主；
2 對于機械生產(chǎn)產(chǎn)生的棉結，棉結糾纏的程度愈大反射光愈強；
3 如果是非棉纖維雜質，例如棉籽造成的棉結，反射光強很低；
4 白星或者有色棉結，都屬于高絕緣、紙吸收系數(shù)物質，以反射為主。

綜上所述，并結合棉結的反射特性，可知光強和面積構成了進行棉結識別的主要特征，本文即結合該特征來設計棉結檢測算法程序。
2 檢測裝置結構設計
結合棉纖維的光電性質，為了突出棉纖維的圖像質量，并保證能夠很好地被攝像機采集，需要設計合理的光源系統(tǒng)和曝光控制電路。同時根據(jù)棉網(wǎng)中棉結或雜質特征（構成模式識別的主要特征）設計的檢測算法實現(xiàn)選用了 DSP+FPGA的圖像處理硬件架構 [7-9]。為了和現(xiàn)場的控制系統(tǒng)相兼容，添置與常用 PLC進行數(shù)據(jù)通訊的連接模塊。整個系統(tǒng)的組成如下圖1。
 

2.1 光源部分設計光源部分包括曝光控制器和面陣 LED燈板，曝光控制器接收到中央處理單元發(fā)出的指令后，控制面陣 LED燈板閃光(或面陣LED燈常亮而不用曝光控制器)。面陣 LED燈板采用漫射均勻照射（根據(jù)前面提出的幾類棉結中的光反射和投射性質選擇使用反射光或投射光）。

2.2 攝像機的選擇攝像機可以選擇面陣或線陣CCD，這兩類 CCD接口中，例如模擬視頻、Camera Link接口、Gigabi Ethernet 接口，在 DSP+FPGA架構中連接很方便。一般地，對于只需要對棉網(wǎng)進行采樣監(jiān)測的情況，可以選擇性價比高的模擬面陣攝像機；對于需要實時檢測棉網(wǎng)或者高速運動物體的疵點或雜質，甚至需要剔除的場合，就要選用線陣 CCD相機。
2.3 DSP+FPGA硬件架構的設計

本部分主要包括攝像機圖像數(shù)據(jù)采集接口、光源曝光電路控制接口、PLC信號接口以及檢測算法的設計。如果需要網(wǎng)絡控制，還需要在該架構上設計網(wǎng)絡接口。這些功能的實現(xiàn)主要依靠 DSP+FPGA硬件處理架構。
DSP+FPGA架構中 DSP芯片采用美國 TI公司的TMS320DM642，F(xiàn)PGA芯片采用ALERA公司的 EP1K100，EP1K100用來完成 DSP的初始化配置、系統(tǒng)的邏輯控制以及其它輔助計算。TMS320DM642系列 DSP基于 C64X內核，并以其在 600MHz時鐘下運算速度可高達每秒 4800百萬條指令（MIPS），占有對高速控制器和隊列處理器數(shù)值性能的操作靈活性。該系列 DSP核處理器有64個32位字長的通用寄存器和8個獨立的功能單元，8個功能單元的VelociTI.2擴展包括新的提高視頻畫面處理性能的指令和 VelociTI結構的并行處理機制的擴充。 DM642可以每周期處理 4個 32位的積之和運算，每秒即可有 2400百萬積之和（MMACS）運算，或者是每周期 8個8位的積之和運算即每秒 4800百萬積之和（MMACS）運算。同時 TMS320DM642使用兩級基于緩存的結構，可以配置為映射存儲區(qū)、緩沖區(qū)，或者兩者的結合。以上所述特點，為檢測算法的編程實現(xiàn)提供了有力保證。
TMS320DM642的外設部件包括：3個可配置的視頻口；1個 10/100Mb/s以太網(wǎng)；1個數(shù)據(jù)輸入輸出管理模塊；1個 VCXO內插控制接口（VIC）；1個多路音頻串口（McASP0）；一個I2C總線模塊；2個多通道緩沖串口；3個 32位的通用定時器；1個用戶可配置的 16位或32位主機接口（HPI16/HPI32）；1個外圍部件接口（PCI）；1個 16管腳的中斷和事件產(chǎn)生模式可編程的通用 I/O口；1個 64位的無縫連接的外部存儲器接口（EMIFA），可以連接同步或者異步的存儲器和外設。對于模擬視頻接口的相機提供了無縫接口，如果需要連接Camera Link接口的相機，可以擴展數(shù)字接口。
2.4 PLC接口設計
在工業(yè)現(xiàn)場，PLC裝置通常采用 24VDC電壓供電，而 DSP及FPGA供電電壓都在 5VDC以內，為了和現(xiàn)場原有主機上的信號報警、信息顯示終端及控制信號形成控制回路，必須設計PLC接口電路，使從DSP輸出的信號經(jīng)過信號轉換后能與原有PLC裝置相連。
3 數(shù)據(jù)分析結果
該裝置加裝在梳棉機上拍攝圖2，圖中左側使用模擬面陣攝像機拍攝得棉網(wǎng)圖片（擇取圖片中的部分，便于放大顯示），右側為檢測到的棉結并且使用紅色標記。
 

 
該裝置在實驗臺上拍攝圖3，圖中左圖使用模擬面陣攝像機拍攝得棉網(wǎng)圖片（擇取圖片中的部分，便于放大顯示），右圖為檢測到的棉結并且使用紅色標記。
 

 
通過 DSP的可編程 I/O發(fā)送棉結個數(shù)的二進制編號，通過轉換電路，輸送到 PLC，便于在實際工廠中的集中控制和聯(lián)網(wǎng)控制。
4 結論
本文作者創(chuàng)新點：結合針對棉纖維光電性能的軟件檢測算法，選用基于 DSP+FPGA硬件架構的圖像處理方式，設計了光源系統(tǒng)；結合工業(yè)現(xiàn)場設計了 PLC接口電路，既實現(xiàn)了針對高速棉網(wǎng)的在線檢測，又保證了與設備上現(xiàn)有的控制系統(tǒng)相兼容。設計出的系統(tǒng)不僅運算速度快，而且通用性強、適合模塊化，同時還具有靈活的硬件接口和強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以配用多種廉價攝像機，大大降低了硬件成本。